量子ビットをリサイクルする量子コンピューターはエラーを制限できる

極度に低温の原子に基づく量子ビットから作られた量子コンピューターは目覚ましい速度で大型化しているため、間もなく計算能力が強力になる可能性がありますが、エラーが発生する速度でその有用性が制限されます。現在、研究者たちは、計算をより実用的で信頼性の高いものにするために、これらの量子ビットを補充して再利用する方法を考案しました。

既存のすべての量子コンピューターはエラーが発生しやすいため、有用でありながら従来のコンピューターよりも優位に立つ計算に取り組むことができません。しかし研究者たちは、この問題を解決できるエラー訂正スキームの開発で大きな進歩を遂げました。

そのようなスキームの 1 つでは、量子ビットと呼ばれる量子コンピューターの構成要素が 2 つの主要なグループに分割されます。1 つはデータの操作を担当し、計算の実行に使用される量子ビット、もう 1 つはエラーを追跡する「補助量子ビット」と呼ばれるグループです。

いずれの目的でも高品質の量子ビットを多数作成することは大きな技術的課題であるため、米国企業アトム コンピューティングのマット ノーシア氏とその同僚は、補助量子ビットを再利用または置き換えて、作成する必要がある量子ビットの数を削減する方法を考案しました。彼らは現在、エラー追跡量子ビットを連続 41 回リサイクルできることを示しました。

「使用の計算は非常に長い計算になる可能性が高いため、多くのラウンドで測定を行う必要があります。理想的には、システムにさらに多くの量子ビットを提供し続ける必要がないように、複数のラウンドにわたって量子ビットを再利用できるようにしたいと考えています」と Norcia 氏は言います。

彼と彼の同僚は、レーザーと電磁パルスを使用して絶対零度に非常に近い温度まで冷却した電気的に中性のイッテルビウム原子から作られた量子ビットを使用しました。 「光ピンセット」に構成されたレーザーを使用して、各原子の量子状態と、情報をエンコードする量子特性を制御できます。チームはこの手法を使用して、量子コンピューターを 3 つの異なるゾーンに編成しました。

最初のゾーンでは、128 個の光ピンセットが量子ビットに計算の実行を指示し、第 2 ゾーンでは、80 個のピンセットがエラー測定に使用したり、エラーのある量子ビットの代わりに交換できる量子ビットを保持したりしました。 3 番目のゾーンはストレージとして機能し、新たに有用な状態になったばかりのさらに 75 量子ビット用のスペースを保持しました。これら最後の 2 つのゾーンにより、研究者は補助量子ビットをリセットして再利用したり、新しい量子ビットと交換したりすることができました。

Norcia 氏は、1 つのレーザーからの迷光が近くの量子ビットに触れるとその機能を妨害する可能性があるため、この配置を機能させるのは困難だったと述べています。このため、研究者らはレーザーの正確な制御を開発する必要があったが、データ量子ビットの状態を調整して、特定の種類の有害な光から「隠された」状態、つまり影響を受けないようにする方法も開発する必要があった、と彼は言う。

「アンシラの再利用は、量子コンピューティングの進歩にとって基本的に重要です」と、米国の量子コンピューティング会社 QuEra のユヴァル・ボーガー氏は述べています。この機能がなければ、非常に控えめな計算でも数百万、または数十億の量子ビットが必要になるでしょうが、それは既存の、または間もなく構築される量子コンピューティング ハードウェアにとってはまったく現実的ではありません、と彼は言います。

この問題は、原子ベースの量子ビット研究コミュニティ全体で認識されています。 「誰もが中性原子にいると思います」 [quantum computing] 宇宙は、計算中に原子をリセットしてリロードする必要性を理解しています」と Norcia 氏は言います。

たとえば、ハーバード大学とマサチューセッツ工科大学の研究チームが同様の方法を使用して、3000個の極低温ルビジウム原子で作られた量子コンピューターを数時間稼働し続けたとボーガー氏は指摘する。 Quantinuum が最近発表した Helios マシンのように、光によって制御されるイオンから作られた量子ビットを備えた一部の量子コンピューターは、量子ビットも再利用できます。