量子電腦錯誤率透過自動信號檢查降低 54%

物理学者は、量子計算機が調和を失うのを防ぐための簡単な方法を見つけた。計算を実行する前に診断チェックを追加することで、国際研究チームは処理エラーを54%削減した。この技術は『応用物理レビュー』に発表され、現代量子工学における最大のボトルネックの一つである量子ビット（qubits）の極端な物理的脆弱性を解決した。従来のコンピュータチップがデータを処理するための標準的な二進数スイッチとして機能するのとは異なり、量子プロセッサは量子物理に制御された物理回路に依存している。新しい研究では、チームがチップ上で超伝導回路をテストし、超精密なマイクロ波パルスを通じてシステムを誘導した。

実験はイスラエルの量子計算センターで行われ、研究員のFabrizio Berrittaはマサチューセッツ工科大学からリモートでハードウェアを操作した。

調整を行わないテストでは、チームは量子ビット操作が時間とともに著しい性能変動を示すことを観察した。この状況の原因は、チップ内部の微視的欠陥である。材料の欠陥は回路の共振周波数が二つの異なる状態の間で跳ねることを引き起こす。この周波数は、プログラムされたプロセッサに必要な正確なマイクロ波信号を決定する。研究者はプレスリリースで「これは楽器のように考えることができる。楽器が少し調子を外すと、同じ動作が期待される音符を正確に生成しなくなる」と述べた。周波数が予告なしに変化すると、入ってくるパルスは目標に命中しなくなる。

回路は依然として動作可能であるが、計算は失敗する。従来の実験ではこの変化を識別できたが、アクティブな計算を行う際には修正できなかった。

新方法のリアルタイムフィードバックメカニズム

新しい方法はリアルタイムフィードバックを導入した。各計算実行の前に、システムは量子ビットを簡単に準備し、その挙動を追跡する。各周波数状態には顕著なマークが付けられているため、システムは量子ビットがどのチャネルにいるかを即座に識別できる。制御コンピュータはその後、マイクロ波パルスを再調整してその周波数に合わせ、論理ゲートを実行する。自動調整は即座の安定性をもたらす。ベンチマークテストでは、量子ビットの平均エラー率が0.14%から0.065%に低下した。ピーク干渉期間中には、エラー率が最大77%低下した。現在、この方法は二つの周波数オプションを事前に理解する必要があり、量子ビットは調整されたマイクロ波信号が到達するのに十分な時間その状態を維持する必要がある。

しかし、主任研究員のFerdinand Kuemmethは、レギエンスブルク大学およびコペンハーゲンのニールス・ボーア研究所の実験物理学者であり、この技術が差し迫った産業の課題を解決することを指摘した。「長期的には、量子材料がますますクリーンになるにつれて、ほぼ完璧な量子ビットを数百万個同時に操作する必要がある」とKuemmeth教授は説明した。彼は、将来の最も純粋なチップでさえも散乱した欠陥を含むことになると指摘し、彼の研究室は未知の周波数ジャンプを検出するための自動化ツールを設計している。

未来の量子計算の課題

商用量子計算機は、多数の量子ビットが協調して動作し、忠実度を失わない必要がある。研究者は、自己修正のフィードバックをハードウェア制御ラインに直接組み込むことで、将来の量子プロセッサが大規模に信頼性を持って動作できると信じている。Kuemmethは「私は、今後の量子計算の拡張時代において、私たちの方法が非常に価値を持ち、量子計算機の実際の計算能力に大きな影響を与えると確信している」と述べた。

量子計算の安定性と未来の発展

量子計算の発展は、量子ビットの脆弱性、特に微視的欠陥による性能変動という課題に直面している。この新技術はリアルタイムフィードバックを通じて量子ビットの安定性を改善し、量子計算分野における自動化と即時調整の重要性を示している。量子材料の進歩に伴い、将来の量子計算機は大量の量子ビットを同時に操作する必要があり、これは商業化アプリケーションの実現にとって重要である。研究者の努力は、現在の技術的ボトルネックを解決するだけでなく、量子計算の長期的発展の基盤を築いている。