MIT研究者が高精度の量子演算を可能にする新しい量子ビット回路を開発

量子コンピューティングは、従来のコンピューターシステムを遥かに超える複雑な問題を解決する可能性を秘めています。この革命的な技術を実現するためには、計算エラーが発生するよりも速くエラーを修正する量子版のエラー修正コードが必要です。MITの研究者たちは、従来よりもはるかに高い精度で量子ビット間の操作を行うことができる新しい超伝導量子ビットアーキテクチャを示しました。

彼らのアーキテクチャは、特に高い精度で論理演算を行うことができる2つのfluxonium量子ビット間の特別な結合要素を含んでいます。このアプローチにより、研究者たちは99.99％の精度で単一の量子ビットゲートと99.9％の精度で二つの量子ビットゲートを実現することができました。

この研究の進展を受けて、Ding博士とその他の研究者は、商業および産業アプリケーションのための実用的な量子コンピュータを構築することを目指して、量子コンピューティングスタートアップ「Atlantic Quantum」を設立しました。

この研究は、量子コンピューティングの分野における重要な一歩として位置づけられており、将来の量子コンピュータの開発に向けた道を切り開いています。

以上の情報は、MITのニュースリリースを元にしているのでそちらを参照ください。

その他の内容

新しい量子ビット回路により、より高精度な量子演算が可能に
この進歩により、量子エラー訂正が現実に一歩近づいた。

将来、量子コンピューターは、現在の最も強力なスーパーコンピューターでは複雑すぎる問題を解決できるようになるかもしれない。この可能性を実現するためには、量子版エラー訂正符号が、計算エラーが発生するよりも早くエラー訂正を行う必要がある。

しかし、今日の量子コンピューターは、商業的な規模でこのようなエラー訂正を実現できるほど頑強ではない。

マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者たちは、この障害を克服するために、量子コンピューターの構成要素である量子ビット間の演算を、これまで科学者たちが達成できなかったよりもはるかに高い精度で実行できる、新しい超伝導量子ビット・アーキテクチャを実証した。

研究チームは、フラクソニウムとして知られる比較的新しいタイプの超伝導量子ビットを利用した。この超伝導量子ビットは、一般的に使用されている超伝導量子ビットよりもはるかに長い寿命を持つことができる。

このアーキテクチャーでは、2つのフラクソニウム量子ビットの間に特殊な結合要素があり、ゲートと呼ばれる論理演算を高精度で実行できる。これにより、量子演算に誤差をもたらす不要なバックグラウンド相互作用が抑制される。

このアプローチにより、99.9パーセントを超える精度の2量子ビットゲートと、99.99パーセントの精度の1量子ビットゲートが可能になった。さらに研究者らは、拡張可能な製造プロセスを用いて、このアーキテクチャをチップ上に実装した。

「大規模量子コンピューターの構築は、堅牢な量子ビットと量子ゲートから始まります。われわれは、非常に有望な2量子ビットシステムを示し、そのスケーリングにおける多くの利点を明らかにした。次のステップは、量子ビットの数を増やすことです」と、工学量子システム（EQuS）グループの物理学大学院生で、このアーキテクチャに関する論文の主執筆者であるレオン・ディン博士（PhD ’23）は言う。

ディンは、EQuSのポスドクであるマックス・ヘイズ、22歳のヨンギュ・ソン博士、現在アトランティック・クォンタムのCEOである22歳のバラト・カナン博士、MITリンカーン研究所のスタッフ科学者でチームリーダーのカイル・セルニアック、上級著者のウィリアム・D・オリバーとともに論文を執筆した。オリバー（ヘンリー・エリス・ウォーレン教授、電気工学・コンピューター科学および物理学、量子工学センター長、EQuSリーダー、エレクトロニクス研究所副所長）、およびMITとMITリンカーン研究所の他の研究者。この研究は本日、Physical Review X誌に掲載される。

フラクソニウム量子ビットの新しい試み

古典的なコンピューターでは、ゲートはビット（一連の1と0）に対して実行される論理演算であり、計算を可能にする。量子コンピュータのゲートも同じように考えることができる： 1量子ビットゲートは1つの量子ビットに対する論理演算であり、2量子ビットゲートは接続された2つの量子ビットの状態に依存する演算である。

フィデリティは、これらのゲートで実行される量子演算の精度を測定する。量子エラーは指数関数的に蓄積されるため、可能な限り高い忠実度を持つゲートが不可欠である。大規模なシステムでは何十億もの量子演算が行われるため、一見小さなエラーでもシステム全体がすぐに破綻してしまう。

実際には、このような低エラーレートを達成するためにエラー訂正符号を使用することになる。しかし、これらの符号を実装するためには、演算が超えなければならない「忠実度のしきい値」がある。さらに、この閾値をはるかに超えて忠実度を高めると、誤り訂正符号の実装に必要なオーバーヘッドが減少する。

10年以上にわたって、研究者たちは量子コンピュータを作るために主にトランスモン量子ビットを使ってきた。フラクソニウム量子ビットとして知られる別のタイプの超伝導量子ビットが誕生したのは、もっと最近のことである。フラクソニウム量子ビットは、トランスモン量子ビットよりも寿命（コヒーレンス時間）が長いことが示されている。

コヒーレンス時間とは、量子ビットのすべての情報が失われる前に、その量子ビットが演算やアルゴリズムを実行できる時間のことである。

「量子ビットの寿命が長ければ長いほど、その演算の忠実度は高くなる。この2つの数字は結びついている。しかし、フラクソニウム量子ビットが非常に優れた性能を発揮する場合でも、その量子ビットに対して優れたゲートを実行できるかどうかは不明でした」とディンは言う。

丁教授と彼の共同研究者たちは、極めてロバストで忠実度の高いゲートをサポートできるアーキテクチャで、この長寿命量子ビットを使用する方法を初めて発見した。彼らのアーキテクチャでは、フラクソニウム量子ビットは、従来のトランスモン量子ビットよりも約10倍長い、1ミリ秒以上のコヒーレンス時間を達成することができた。

「ここ2、3年の間に、単一量子ビット・レベルでは、フラクソニウムがトランズモンを凌駕することが何度か実証されています」とヘイズは言う。「我々の研究は、この性能向上が量子ビット間の相互作用にも拡張できることを示しています。

フラクソニウム量子ビットは、拡張可能な超伝導量子ビット技術の設計と製造の専門知識を持つMITリンカーン研究所（MIT-LL）との緊密な協力で開発された。

この実験は、EQuSグループとMIT-LLの超伝導量子ビット・チームとの緊密な協力という、私たちが “ワン・チーム・モデル “と呼ぶものの典型でした」とセルニアックは言う。「彼らは、フラクソニウムやその他の新しい量子ビット回路用に、100個以上のジョセフソン接合を密に並べたアレイを構築する能力を開発したのです」。

より強固な接続

彼らの斬新なアーキテクチャは、両端に2つのフラクソニウム量子ビットを持つ回路を含み、それらを結合するために中央に調整可能なトランスモン・カプラーを持つ。このフラクソニウム-トランスモン-フラクソニウム（FTF）アーキテクチャは、2つのフラクソニウム量子ビットを直接接続する方法よりも強力な結合を可能にする。

FTFはまた、量子演算中にバックグラウンドで発生する不要な相互作用を最小限に抑える。通常、量子ビット間の結合を強くすると、静的ZZ相互作用として知られる、このような持続的なバックグラウンド・ノイズが増える可能性がある。しかし、FTFアーキテクチャはこの問題を解決する。

このような不要な相互作用を抑制できることと、フラクソニウム量子ビットのコヒーレンス時間が長いことが、研究チームが1量子ビットのゲート忠実度99.99％、2量子ビットのゲート忠実度99.9％を実証できた2つの要因である。

これらのゲート忠実度は、ある種の一般的な誤り訂正符号に必要な閾値を大きく上回っており、より大規模なシステムでの誤り検出が可能になるはずだ。

「量子エラー訂正は、冗長性によってシステムの回復力を高める。量子ビットを増やすことで、システム全体の性能を向上させることができます。幼稚園児でいっぱいの部屋でタスクを実行しようとすることを考えてみてください。幼稚園児の数を増やしても改善されることはありません」とオリバーは説明する。「しかし、何人かの成熟した大学院生が一緒に仕事をすることで、一人一人を上回るパフォーマンスを発揮することができる。拡張可能な量子コンピュータを作るには、まだやるべきことがたくさんありますが、それは閾値をはるかに超える高品質の量子演算を持つことから始まります」。

これらの成果を基に、丁、宋、函南、オリバーらは最近、量子コンピューティングの新興企業アトランティック・クォンタムを設立した。同社は、フラクソニウム量子ビットを使って、商業用・産業用の実用的な量子コンピューターを構築しようとしている。

「これらの結果は直ちに応用可能であり、この分野全体の状況を変える可能性がある。この結果は、この分野に別の道があることを示すものです。このアーキテクチャ、あるいはフラクソニウム量子ビットを使ったこのようなアーキテクチャは、実際に有用でフォールト・トレラントな量子コンピュータを構築するという点で、大きな可能性を秘めていると強く信じています」とカンナンは言う。

そのようなコンピュータが実現するのは、おそらくまだ10年先のことでしょうが、この研究は正しい方向への重要な一歩です」とカンナン教授は付け加える。研究者たちは次に、2つ以上の量子ビットを接続したシステムで、FTFアーキテクチャーの利点を実証する予定だ。

「この研究は、2つのフラクソニウム量子ビットを結合させる新しいアーキテクチャーの先駆けとなるものです。達成されたゲート忠実度は、フラクソニウムの記録で最高であるだけでなく、現在主流の量子ビットであるトランソンのそれと同等である。アリババのグローバル研究機関であるDAMOアカデミーの量子研究所の実験量子チームの責任者であり、今回の研究には関与していないChunqing Dengは言う。「フラクソニウムはトランスモンよりも基本的に優れた量子ビットだと信じている我々にとって、この研究はエキサイティングで肯定的なマイルストーンです。この研究は、フラクソニウム・プロセッサーだけでなく、トランソンに代わる量子ビットの開発にも活力を与えるでしょう」。

この研究の一部は、米国陸軍研究局、米国国防次官補研究・工学、IBM博士号フェローシップ、韓国科学振興財団、米国国防科学・工学大学院フェローシップ・プログラムから資金提供を受けている。