インサイダーブリーフ
- シドニー大学の研究では、大規模でフォールトトレラントな量子コンピューターに必要な物理量子ビットの数を大幅に削減できるゲージ理論を使用した新しい量子誤り訂正アプローチが提案されています。
- この方法は、グローバルな「ゲージのような」特性を使用して量子情報をエンコードおよび処理し、脆弱な量子状態を崩壊させたり、計算オーバーヘッドを増加させたりすることなく、エラーを追跡および修正できるようにします。
- この設計の要素は IBM の量子ロードマップに組み込まれており、企業がより低いリソース要件でスケーラブルなシステムを追求する中で、業界で採用される可能性があることを示しています。
プレスリリース — シドニー大学の量子物理学者が、大規模でフォールトトレラントな量子コンピューターの構築に必要な物理量子ビットの数を大幅に削減できる量子誤り訂正の新しいアプローチを開発しました。
この研究は共著です ドミニク・ウィリアムソン博士 物理学部の博士号が出版されました。 自然物理学。この研究は、ウィリアムソン博士がカリフォルニアにある世界的テクノロジー企業IBMでサバティカル休暇をとって働いている間に行われた。
新しいデザインの要素には、 IBMの計画に統合されました 大規模な量子コンピューティングを構築します。
「私たちは理論と実験が一致し始めている段階にいます」とウィリアムソン博士は語った。 「今の大きな問題は、有用な問題を解決するために効率的に拡張できる量子コンピューターをどのように設計するかです。私たちの研究は有望な青写真を提供します。」
量子誤差を削減するための新しいアプローチの中心となるのは、ゲージ理論の応用です。これにより、システムは、個々の量子ビットの局所で特定の量子状態を強制的に崩壊させることなく、「量子ハードドライブ」全体などのグローバルなアクティビティを効果的に追跡できるようになります。
変革の可能性
量子コンピューターは、暗号化、材料科学、化学、複雑なシステムのモデリングにおいて革新的な進歩を約束します。彼らは、量子状態における物質の「重ね合わせ」と「破壊的干渉」を利用することでこれを実現し、古典的なコンピューターの範囲を超えた問題を解決するための新しい形式のコンピューティング経路を作成します。
しかし、この力には代償が伴います。量子状態は脆弱です。周囲の環境とのわずかな相互作用でさえ、重ね合わせを古典的な状態に崩壊させ、量子の利点を消去する可能性があります。この脆弱性を克服することは、有用な量子テクノロジーを構築する上での中心的な課題の 1 つです。
「量子コンピュータは、古典的なマシンとは根本的に異なる方法で計算を実行します」とウィリアムソン博士は述べています。 デクラ の仲間 量子科学グループ シドニー大学で。 「しかし、環境との意図しない相互作用は、それらに力を与えるまさに量子効果を破壊する可能性があります。」
量子誤り訂正は、量子情報の保存方法と処理方法を再設計することで、この課題に対処します。個々の量子ビット、つまり量子ビットを直接保護するのではなく、情報は、計算を妨げることなくエラーを検出および修正できる方法で、多くの物理量子ビットにわたってエンコードされます。
量子ビットは、古典的なコンピューティングにおけるトランジスタに似ており、「スイッチ」として機能します。古典的なシステムではこのようなスイッチはオンかオフのいずれかですが、量子ビットは結果の可能性、つまり重ね合わせの中に存在し、根本的に異なるタイプのコンピューティング アルゴリズムを可能にします。
複数の量子ビットにわたって情報を保存する際の難しさは、情報を保護するために必要な追加の量子ビットと操作の数であるオーバーヘッドです。歴史的に、このオーバーヘッドは計算自体のサイズよりも速く増大しており、大規模なマシンは実用的ではありません。
最近の理論的進歩によりその状況は変わり、量子情報を保存するコストが保存される情報量に比例してのみ増加する「量子ハードドライブ」の設計が導入されました。
ウィリアムソン博士の新しい研究は、効率的に保存された量子情報に対して、効率の向上を失わずに論理処理を実行する方法という次の大きな課題に取り組んでいます。
ゲージ理論
この研究は、物理学の格子ゲージ理論、つまり局所的な相互作用と地球規模の保存則を調和させる枠組みからインスピレーションを得ています。
「ゲージ理論は、システムを明確なローカル状態に強制することなく、グローバルなプロパティを追跡する追加の自由度を導入します」とウィリアムソン博士は言いました。 「私たちは、同様のアイデアを論理量子情報の処理に使用できることに気づきました。
「ゲージは、私たちが研究している定義されたシステムに一連のローカル座標を提供する単なる数学的構造です」とウィリアムソン博士は言いました。 「私たちにとって有益なのは、システムの物理的に重要なグローバル特性が不変のままでありながら、ゲージ理論によりローカルレベルでの座標系の変換が可能になることです。
新しい設計では、論理プロセッサ システムが効率的な量子メモリに結合されています。合成「ゲージのような」自由度は、符号化された量子状態を局所的に崩壊させることなく、グローバルな論理情報を測定するために導入されています。これらのコンポーネントは、エキスパンダー グラフとして知られる高度に接続された数学的構造を使用して配置され、効率的なスケーリングを可能にします。
その結果、処理能力を追加しながら、次世代の量子メモリ設計の効率を維持する、誤り訂正された量子計算のための柔軟なアーキテクチャが実現しました。
IBMとの業界での位置付け
ウィリアムソン博士は、カリフォルニアにある IBM の量子情報理論および誤り訂正グループでの業界派遣中にこの研究に取り組みました。その後、この設計の要素は、大規模なフォールトトレラント量子コンピューターを構築するための IBM の長期ロードマップに組み込まれました。
世界中の企業や研究機関がスケーラブルな量子ハードウェアの開発を競う中、さまざまなエラー訂正戦略が主流のフレームワークになろうと競い合っています。ウィリアムソン博士の研究は、必要な物理的リソースを大幅に削減する方法を提供します。
#シドニーの研究者の誤り訂正アプローチが量子コンピューティングのスケーラブルな未来に向けて前進