フランスの量子コンピューティング企業Alice & Bobは、ネコ量子ビット技術に「圧縮」手法を適用することでビットフリップエラー率を通常のネコ量子ビットと比較して160倍改善することに成功したと発表した。この進展はフォールトトレラント量子計算の実現に向けた重要な一歩となる。
ネコ量子ビットの圧縮がもたらす飛躍的なエラー率低減
量子コンピューティングの最大の課題の一つは、量子状態が環境からの影響を受けやすく、計算エラーが発生しやすいことだ。Alice & Bobが2020年から先駆的に開発している「ネコ量子ビット」（cat qubit）は、シュレディンガーの猫の思考実験にちなんで名付けられた超伝導量子ビットの一種で、従来の量子ビットよりもエラーに強い特性を持つ。
今回、同社の研究チームはネコ量子ビットの量子状態を「圧縮」（squeezing）する手法を開発し、同じチップ上で標準的な猫量子ビットと比較して160倍優れたビットフリップエラー率を実現した。標準的なネコ量子ビットでも、通常の超伝導プラットフォームを上回るビットフリップ寿命138ミリ秒を示していたが、圧縮技術を適用することで、この値は22秒にまで延長された。
「標準的なネコ量子ビット、つまり圧縮されていないネコ量子ビットは大きな利点を提供しますが、ビットフリップの改善は位相フリップエラーチャネルでのコストを伴います」とAlice & Bobの共同創業者兼最高技術責任者であるRaphael Lescanne氏は説明する。「ネコ量子ビットを圧縮することで、位相フリップのパフォーマンスを損なうことなくビットフリップ保護を強化でき、長期的には位相フリップの訂正がより管理しやすくなります」。
量子状態の圧縮メカニズムと実験結果
量子コンピューティングにおけるエラーは主に「ビットフリップ」と「位相フリップ」の2種類がある。ビットフリップは古典的なコンピュータにおける0と1の反転に相当し、位相フリップは量子状態特有の干渉パターンが破壊される現象だ。
ネコ量子ビットをより大きくする（より多くのフォトンを注入する）と、ビットフリップエラーに対する頑健性が増す。しかし、フォトン数を増やすと、それらのうちの1つがシステムから逃げる可能性も高まり、位相フリップエラーを引き起こす。このトレードオフのため、両方のエラータイプを可能な限り減らすようにフォトン数を最適化する必要がある。
今回開発された圧縮技術は、追加のフォトンを注入せずに量子状態を圧縮することで、基底状態間の重なりを最小化し、状態間の分離を増加させる方法だ。これにより、エラー抑制と訂正が改善され、位相フリップの増加なしにビットフリップを大幅に減少させることができる。
「圧縮の目標は、すべてのフォトンを活用することです。私たちの最新のイノベーションにより、猫量子ビットはより均整がとれたものになり、さらに大きな保護を引き出すことができるため、エラー訂正の要件が緩和されます」とAlice & Bobの上級研究者兼フェローエキスパートであるAnil Murani氏は述べている。
実験では、圧縮技術を適用しない平均4.9フォトンのネコ量子ビットのビットフリップ寿命が138ミリ秒であるのに対し、圧縮を適用した4.1フォトンの猫量子ビットでは、ビットフリップ寿命が22秒に延長され、位相フリップの増加は見られなかった。
また、圧縮はZ-ゲート不忠実度（量子演算の精度を示す指標）を50%削減し、Alice & Bobは2量子ビットゲートも同様にこれらのパフォーマンス向上の恩恵を受けると予想している。
障害耐性量子コンピューティングへの道を開く技術革新
量子アルゴリズムを正常に実行するには、実行時間中にすべてのエラーが訂正される必要がある。設計上、固有のビットフリップを減らすために、ネコ量子ビット内のフォトン数を位相フリップを犠牲にして任意に増やすことができる。圧縮技術により、同じビットフリップエラー率に対して位相フリップエラーが最小化されるため、位相フリップはエラー訂正コードによってより簡単に対処できる。これにより、化学、材料科学などの有用なアプリケーションを可能にするために、両方のエラータイプが訂正されることが保証される。
「回路設計を変更せずに量子ビットのパフォーマンスを向上させることで、この単純かつ効果的な技術は、代替アプローチのコストのごく一部で高忠実度の論理量子ビットを提供するプラットフォームを位置づけています」とLescanne氏は述べている。
この技術革新は、ユニバーサルなフォールトトレラント量子コンピューティングへの重要な一歩である。圧縮されたネコ量子ビットは、多くの産業にわたる現在は解決不可能な問題を解決するために必要な量子エラー訂正のコストを削減する。
注目すべきは、この技術がAmazon Web Services（AWS）も最近ネコ量子ビットを採用した量子チップ「Ocelot」をリリースするなど、量子コンピューティング業界で注目を集めているネコ量子ビット技術の重要性をさらに強調している点だ。
Alice & Bobの研究は、フォールトトレラント量子コンピューティングの実現に必要な物理的量子ビット数を大幅に削減できる可能性を示している。研究論文によれば、標準的なネコ量子ビットではγ = 2の理論的限界があるビットフリップエラー率の指数関数的抑制のスケーリング指数が、圧縮技術の適用によりγ = 4.3にまで向上した。これは、フォトンを1つ追加するごとに74倍のエラー低減効果があることを意味する。
この進展は、量子コンピューティングの実用化に向けた障壁の一つであるエラー訂正の効率を大幅に改善し、量子優位性の実現をより現実的なものにする重要なステップといえる。
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参考文献
