量子計算機が自己修正技術を実現、100量子ビットを用いた持続的計算に成功

研究者たちは、量子計算機が計算を継続しながら量子ビットを繰り返し測定・リセットし、プロセッサ内部のカオス的振る舞いを制御する様子を実証した。この実験では最大100量子ビットを使用し、より信頼性の高い量子計算機の開発を目指す重要な技術を示した。研究チームにはラトガーズ大学、IBM、および複数の協力機関の科学者が含まれる。彼らの研究成果は『Nature Physics』誌に掲載され、カオスと制御可能な量子振る舞いの間の明確な転移が明らかにされた。

量子計算機の独自の課題

量子ビットをリセットして秩序を回復 量子計算機は従来の計算機とは異なる方法で情報を処理する。その量子ビットは複数の状態の重ね合わせにあり得るため、従来のビットでは直接複製できない能力を持つ。しかし、これらの脆弱な状態は環境との相互作用やハードウェアの欠陥によって劣化する可能性がある。計算過程でエラーが蓄積し続け、最終的に結果を信頼できないものにしてしまう。したがって、研究者たちは計算が継続している間にこれらのエラーを検出・訂正できるシステムを開発しなければならない。このアプローチは量子誤り訂正と呼ばれ、耐障害量子計算の基盤を形成する。

研究チームは156量子ビットを持つIBM Quantum Heronプロセッサを使用してテストを行った。研究者たちは最大100量子ビットを含む接続鎖を選択し、実験に用いた。彼らは2つの競合するプロセスを交互に実行した。1つのプロセスは隣接する量子ビット間の情報を撹拌し、システム内の無秩序を拡散させる。もう1つのプロセスは個々の量子ビットを繰り返し測定し、所定の状態にリセットする。この実験では約5,000回の2量子ビット操作と約5,000回の測定・リセットサイクルが行われ、繰り返しの介入が撹拌プロセスをどう相殺するかを調査できた。

カオスの明確な変化 研究者たちは各プロセスの頻度を調整し、どちらの振る舞いが優勢になるかを特定した。撹拌プロセスがより頻繁に起こると、システムはカオス状態を維持する。逆に、測定とリセットのプロセスが頻繁に起こると、システムは秩序ある制御可能な状態へ向かう。最も顕著な変化は、2つのプロセスがほぼ50対50のバランスに近いところで起こった。相対頻度の微小な調整がシステム全体の劇的な変化を引き起こす可能性がある。物理学者はこの現象を相転移と呼び、水が凍る過程に類似した、システム振る舞いの集団的な変化として説明する。

ランダムな介入の影響

ルイジアナ州立大学の物理学准教授であり共著者のJustin Wilson氏は、ランダムな介入が本来予測不可能な振る舞いを抑制できると説明する。研究者たちはまた、この転移が量子系で持続し、その生存可能性が依然として不確実であることも発見した。研究結果は理論的予測と一致した。研究者たちがより大きな系を調べると、この転移の定義がより明確になり、その効果が小規模な実験回路を超えていることを示唆している。 耐障害計算への道 リアルタイムフィードバックは、将来の量子プロセッサが延長された計算過程でエラーを管理するのに役立つ。

耐障害デバイスは、処理中の情報を破壊することなくこれらの操作を何度も繰り返す必要がある。IBM研究者の高田舞香氏は、この実験が大規模システムにおいて量子操作、測定、リセットを数千回調整したと述べている。彼女はこの能力を、実用的な誤り訂正に向けた重要な一歩と表現した。チームはまた、従来の計算機ではシミュレートできないより大きなシステムもテストした。この比較は理論的解釈への信頼を強めた。ニューヨーク市立大学、アイオワ州立大学、ペンシルベニア州立大学、およびその他の機関の研究者たちもこの研究に貢献した。

今回の実証は完全な耐障害量子計算機を構築したものではないが、現在のハードウェアが操作の継続中に量子系への繰り返し介入を行えることを示し、拡張可能な量子計算を中心的な工学目標へと押し進めた。

量子計算が耐障害に向けて進む重要な一歩

量子計算機の開発は、特に量子ビットの脆弱性において、情報処理の独自の課題に直面している。この研究は、継続的な測定とリセットを通じてエラーを管理する方法を示し、量子誤り訂正の基盤を築いた。実験でのプロセス頻度調整の発見により、研究者たちはシステム振る舞いを制御できるようになり、これは将来の量子計算の耐障害能力にとって不可欠である。今回の実証は完全な耐障害を実現したものではないが、量子計算の拡張性を示し、将来の量子技術開発に新たな希望をもたらした。