2022-09-15

MBE-CQEC:量子の誤りを訂正する新たなスキーム

量子コンピュータは、ビッグデータを扱う私たちの世界において大きな可能性を秘めています。その潜在能力を活かすことができれば、そのデバイスで非常に複雑な計算が電光石火の速さで実行できるようになります。

私たちが使用しているノートパソコンのような従来型のコンピューターは、情報を「ビット」にして保存します。このビットには、「0」と「1」の2つの状態があります。一方、量子コンピュータにおいて情報の保存に使われる「量子ビット」は、異なる状態をとります。「0」か「1」のどちらかという決定的な状態ではなく、「0」でも「1」でもありうるという確率的な状態をとります。このように両方の状態を同時にとることができる性質が、量子コンピュータに強力な計算能力を与えます。量子コンピュータに保存できる量子ビット数が高くなるほど、情報処理のスピードが従来型のコンピュータに比べて指数関数的に速くなります。

しかし、量子ビットには不安定さという欠点もあります。温度などの環境要因に反応して状態が非常に速く変化したりするため、多くの誤りが生じます。研究者は、このような誤りを即時にかつ効率的に訂正する方法を開発できずにいました。量子誤りを訂正する方法を、「量子誤り訂正(QEC)スキーム」と言います。

量子ビットはデコヒーレンスと呼ばれる環境要因の影響を受けてランダムに回転する。中央の図の中心で反転している量子ビットは、量子誤りを表している。QECスキームは、このような誤りを検出・訂正して量子ビットを元の状態に戻す役割を果たす。

Credit: 
サンカ・ボラ(OIST)

沖縄科学技術大学院大学(OIST)のジェイソン・トゥワムリー教授が率いる量子マシンユニットの博士研究員であるサンカ・ボラ博士は、次のように述べています。「このような誤りは、量子コンピュータの大きな課題です。量子誤り訂正を正確に実行する方法がわかれば、すぐにでも量子コンピュータが使えるようになるかもしれません。」

このほど、ボラ博士とOISTの研究チームは、アイルランドのダブリン大学トリニティカレッジおよびオーストラリア・ブリスベンのクイーンズランド大学と共同研究を行い、誤り訂正の新技術を提案した研究論文を科学誌Physical Review Researchに発表しました。

量子誤り訂正を実現するには、「量子もつれ」という力学的な性質を利用して、複数の量子ビットの集合体を作る必要があります。QECスキームで量子ビットの誤りを検出するためには、2つの隣接する量子ビットの向きが揃っているかどうかを評価する「シンドローム測定」を行います。その結果である「シンドローム」に基づいて量子ビットの誤りを検出し、訂正することが可能となります。

一般的なQECスキームは速度が遅く、誤りが即時に検出・訂正できないため、量子ビットに保存された情報が急速に失われてしまいます。このようなQECスキームでは、シンドロームを得るために「射影測定」と呼ばれる従来の量子測定方法を採用しています。この測定を行うには、さらにいくつかの量子ビットが必要となるため、資源消費が高くなります。

研究チームは、その代替的な測定方法として「連続測定」と呼ばれる手法を採用しました。連続測定は、射影測定よりもはるかに速く、資源効率も良く測定することができます。チームは、「連続量子誤り訂正のための測定に基づく推定量スキーム(measurement-based estimator scheme for continuous quantum error correction, MBE-CQEC)」と呼ばれるQECスキームを開発し、ノイズを含む部分的なシンドローム測定から誤りを迅速かつ効率的に検出し、訂正することに成功しました。本研究では、強力な従来型のコンピュータを外部コントローラ(または推定器)として使用し、量子システムの誤りを推定し、ノイズを完全にフィルタリングしてフィードバックにより誤りを訂正するように設定しました。

3つの量子ビットにMBE-CQECスキームがどのように機能するかを示す模式図。従来型コンピュータが推定器(右)として量子コンピュータ(左)の量子ビットを連続測定する。 推定器はシンドローム測定により誤りを検出し、適切なフィードバックを行って誤りを訂正する。

Credit: 
サンカ・ボラ(OIST)

ボラ博士は、この新しいQECスキームは理論モデルに基づくものであるため、量子コンピュータを用いた実験による検証が必要であると説明しています。また、システム内の量子ビット数が増加するほど、推定器の即時シミュレーションが指数関数的に遅くなるという大きな制約もあります。

「私たちはこの課題に取り組んでいるところですが、同じ分野の他の研究者たちにもこの課題に取り組んでもらいたいと思っています」とボラ博士は締めくくっています。

執筆:Alla Katsnelson

論文詳細情報:

論文タイトル:Measurement-based estimator scheme for continuous quantum error correction
発表先:Physical Review Research
著者: Sangkha Borah, Bijita Sarma, Michael Kewming, Fernando Quijandría, Gerard J. Milburn, and Jason Twamley
発表日:2022年9月14日
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.033207