革新的な量子コンピューター、つまり情報を従来のビットではなく単一原子でエンコードするスーパーマシンを作成するという夢は、量子誤り訂正として知られる恐るべき課題によって妨げられてきました。
で 紙 Nature に月曜日に掲載された論文では、ハーバード大学の研究者が、重要なパフォーマンスしきい値を下回るエラーを検出して削除できる新しいシステムを実証し、問題に対する実行可能な解決策を提供する可能性があります。
「私たちは初めて、スケーラブルで誤り訂正された量子計算に必要なすべての要素を統合アーキテクチャに統合しました」と氏は述べた。 ミハイル・ルーキン、量子科学工学イニシアチブの共同ディレクター、ジョシュア・アンド・ベス・フリードマン大学教授、そして新しい論文の上級著者。 「これらの実験は、いくつかの点でこれまでに量子プラットフォームで行われた中で最も先進的なものであり、実用的な大規模量子計算のための科学的基盤を構築します。」
新しい論文でチームは、エラーを検出して修正するための複雑な一連の技術で操作された448個の原子量子ビットを使用した「フォールトトレラント」システムを実証しました。
主要なメカニズムには、物理的エンタングルメント、論理的エンタングルメント、論理的マジック、およびエントロピー除去が含まれます。たとえば、このシステムは「量子テレポーテーション」というトリックを採用しています。つまり、物理的接触なしに、ある粒子の量子状態を別の場所に転送します。
「数百万量子ビットを備えた非常に大規模なコンピューターに到達するには、まだ多くの技術的課題が残っていますが、概念的にスケーラブルなアーキテクチャーを実現するのはこれが初めてです」と筆頭著者の Dolev Bluvstein 博士は述べています。 ’25 氏はハーバード大学大学院で研究を行い、現在はカリフォルニア工科大学の助教授を務めています。 「多大な努力と技術開発が必要ですが、フォールトトレラントな量子コンピューターを構築できることが明らかになりつつあります。」
ハーバード主導のこの共同研究にはMITの研究者も含まれており、ルーキン氏が共同代表を務めた。 マーカス・グライナー、ジョージ・バスマー・レバレット物理学教授。そして ヴラダン・ヴレティッチレスター・ウルフ MIT物理学教授。同チームは、ハーバード大学とマサチューセッツ工科大学の研究所からスピンアウトしたスタートアップ企業、QuEra Computing、メリーランド大学共同量子研究所、国立標準技術研究所と協力して研究を行っています。
新しい論文は、30 年にわたる量子誤り訂正の追求における重要な進歩を示しています。
「結局のところ、物理学は実験科学です。研究室でこれらの基本的なアイデアを実現し、テストすることで、トンネルの終わりに光が見え始めます。」
ミハイル・ルーキン
従来のコンピュータは、情報を 0 と 1 のバイナリ コードでエンコードします。量子コンピューターは、量子物理学の直感に反する特性により、はるかに高い処理能力を達成できる亜原子粒子に情報を保存します。
従来のコンピュータでは、情報の最も基本的な単位は「ビット」（2 進数の略）です。量子システムでは、基本単位は「量子ビット」（または量子ビット）です。
従来のコンピューターでは、ビット数が 2 倍になると処理能力も 2 倍になります。量子システムでは、量子もつれと呼ばれる現象により、量子ビットを追加すると出力が指数関数的に増加します。
理論的には、300 量子ビットのシステムは、既知の宇宙の粒子の数よりも多くの情報を保存できます。
このような膨大な能力を持つ量子コンピューターは、創薬、暗号化、機械学習、人工知能、金融、材料設計などの分野でブレークスルーをもたらす可能性を秘めています。
しかし、その革命的な可能性を実現するにはハードルがあります。その中で最も重要なものはエラー率です。量子ビットは本質的に量子状態から抜け出して符号化された情報を失いやすいため、エラー訂正が大規模な量子マシンを実現するための中核的な前提条件となります。
新しい論文では、チームはさまざまな方法を組み合わせて、数十の誤り訂正層を持つ複雑な回路を作成しました。システムはエラーを臨界しきい値以下に抑制します。つまり、量子ビットを追加するとエラーが増加するのではなくさらに減少する点です。
「誤り訂正をどのように実装すべきかについて、多くの重要な理論的提案がなされています」と、新しい論文の筆頭著者の一人で博士号を持つアレクサンドラ・ガイム氏は述べた。ケネス・C・グリフィン芸術科学大学院物理学専攻の学生。 「この論文では、スケーラブルなディープサーキット計算を可能にするコアメカニズムが何であるかを理解することに重点を置きました。それを理解することで、基本的に不要なものを削除し、オーバーヘッドを削減し、より早く実用的な体制に到達することができます。」
ルーキン氏は、長年の実験により、いくつかの技術的課題を克服し、その他の課題を回避する方法が示されたと述べた。
「私たちは、これらのボトルネックのうちどれが本当で、どのボトルネックを回避できるかを理解しています」と彼は言いました。 「結局のところ、物理学は実験科学です。研究室でこれらの基本的なアイデアを実現し、テストすることで、トンネルの終わりに光が見え始めます。」
世界中の研究者が、さまざまな種類の原子、イオン、超伝導量子ビットなど、量子ビットのさまざまなプラットフォームの可能性を研究しています。
ハーバード大学のチームは、ルビジウム元素の中性原子（陽子と電子の数が等しいため電荷を持たない原子）を専門としています。彼らはレーザーを使用して電子の構成を変更し、原子をコード化して情報を運ぶ量子ビットにします。
Google Quantum AI チームのエンジニアリング担当バイスプレジデントである Hartmut Neven 氏は、この新しい論文は量子ビット プラットフォーム間の「信じられないほどエキサイティングな」競争の最中に発表されたと述べた。
「この研究は、大規模で有用な量子コンピュータを構築するという私たちの共通の目標に向けた大きな進歩を表しています」と彼は述べた。
9月、ハーバード大学-MIT-QuEraグループは、次のことを実証する別のNature論文を発表した。 3,000量子ビット以上のシステム それは2時間以上連続して動作し、原子の損失という別の技術的ハードルを克服することができます。
最近の進歩により、量子コンピューターを構築するための中核要素が適切な位置に収まりつつあるとルーキン氏は考えています。
「私たちの多くが数十年にわたって抱いてきたこの大きな夢が、初めて実際に目の前に現れました」と彼は語った。
この研究は、国防高等研究プロジェクト庁、エネルギー省、情報高等研究プロジェクト活動、陸軍研究局、国立科学財団、および国防科学技術大学院フェローシッププログラムから連邦資金を受けている。