Enhancing dissipative cat qubit protection by squeezing

今日の機械の手には負えない問題を解決できるコンピュータを構築するには、情報の保存方法における根本的な転換が必要です。量子世界において、データの基本単位は非常に脆弱です。それは、わずかな熱や電磁ノイズによっても容易に乱され、計算を崩壊させてしまいます。信頼できるマシンを構築するために、科学者たちは、膨大な数の追加コンポーネントを用いて絶えずチェックや修正を行うことなく、この情報を保護する方法を生み出さなければなりません。有望なアプローチの一つは、データを単一の粒子ではなく、小さな電気回路の中に閉じ込められた光の粒子、すなわちフォトンの集団的な振る舞いにエンコードすることです。これらの「キャット・キュビット（猫の量子ビット）」は、生きている状態と死んでいる状態が同時に存在する猫を用いた有名な思考実験にちなんで名付けられました。この文脈では、キュビットは二つの異なる状態に同時に存在しています。この設計の巧妙な点は、片方の状態からもう一方の状態へと誤って反転してしまう「ビットフリップ」と呼ばれる一種のエラーに対して、自然に耐性を持っていることです。しかし、二つの状態の間の関係性をかき乱してしまう「フェーズフリップ（位相反転）」と呼ばれる別の種類のエラーに対しては、依然として脆弱なままです。課題は、もう一方のエラーを悪化させることなく、最初のエラーに対する保護をいかに強めるかという点であり、このバランスを取ることはこれまで困難とされてきました。

Alice & Bob社の研究チームは、複数のフランスの機関のパートナーと共に協力し、このバランスを彼らにとって著しく有利な方向へと傾ける方法を見出しました。彼らは、これら光ベースのキュビットの標準的な設計を取り、使用する光の状態の形状に対して特定の変形を加えました。標準的なキュビットの二つの状態を、数学的な空間に浮かぶ二つの異なる丸い確率の雲として想像してみてください。新しい設計では、研究者たちはこれらの雲を「絞り込み（スクイーズ）」、三日月のような細長い形状へと引き伸ばしました。既存の装置に特定の種類の信号を加えることで実現されたこの単純な幾ースの変化により、二つの状態は、互いに混同されることが極めて困難なほど遠くに離れる一方で、もう一方のエラーに対しては以前と同じ安定性を維持することができました。

実験の結果は驚くべきものでした。研究者たちは、キュビットが誤って状態を反転させるまでにどれくらいの時間がかかるかを測定しました。標準的な、変形されていないバージョンのキュビットでは、エラーは約138ミリ秒ごとに発生していました。彼らの新しい「ムーン・キャット（三日月型の猫）」バージョンのキュビットは、同様のエラーが発生するまでに22秒間も状態を保持しました。これは、安定性が約160倍向上したことを意味します。決定的なことに、この劇的な向上は、もう一方のエラーに対する脆弱性の増加を犠牲にすることなく達成されました。位相が乱れる割合は、両方のケースにおいて約1.3マイクロ秒であり、実質的に同じままでした。これは、研究者たちが、もう一方の防御を弱めることなく、特定の一種のエラーに対してキュビットを大幅に堅牢にすることに成功したことを意味しています。

チームはまた、これらの新しいキュビットが作業を行う際の性能、具体的には、コンピュータが情報を処理する基本的な操作である「論理ゲート」を実行する際の性能についてもテストしました。彼らは、スクイーズされたキュビットが、アイドル状態で待機している間の状態保持能力だけでなく、これらの操作をより高速かつ正確に実行できることを見出しました。ゲート操作はより高速になり、計算中のエラーの確率も大幅に低下しました。研究者たちは、新しい形状の光の状態が、これらの急速な動きの最中にシステムが安全圏から誤って漏れ出す（リークする）のを防ぐ役割を果たし、それがさらなるエラーの低減につながったことを観察しました。この改善は非常に顕著で、ゲート操作中のビットフリップ・エラーの全体的な確率は、標準的な設計と比較して220分の1に減少しました。

この発見を特に重要なものにしているのは、新しい機械を構築したり、回路の物理的なレイアウトを変更したりする必要がなかった点です。研究者たちは、以前の実験と同じ超伝導チップと基本的なコンポーネントを使用しました。彼らは単に、スクイージング効果を作り出すために、既存のセットアップに第二の制御信号である特定のポンプ周波数を加えただけでした。これは、より強力な量子コンピュータへの道が、必ずしも全く新しいハードウェアの発明を必要とするのではなく、システム内に存在する情報をより良く形作る方法を見つけ出すことにある場合があることを示唆しています。量子状態の形状を注意深く調整することで、チームは、標準的な設計でこれまで達成可能と考えられていた限界を遥かに超えて、エラー保護を押し上げることが可能であることを実証しました。

研究者たちは、スクイージングのプロセスによってもう一方のエラー率がごくわずかに上昇したものの、その損失はビットフリップに対する安定性の莫大な利得に比べれば無視できる程度であると述べています。また、システムのフォトンの数を増やすにつれて、安定性の向上が急速に増大することも観察されました。そのパターンは、標準的な非スクイーズ設計の理論的限界よりもはるかに急峻なものでした。これは、これらのシステムをスケールアップしていくにつれて、この技術の恩恵がさらに強力になる可能性があることを示唆しています。この研究は、エラーの絶え間ない修正なしに複雑なアルゴリズムを実行できる「フォールトトレラント（耐故障性）」な量子コンピューティングの実現に向けて、より明確で実践的な手法を提供しています。