Order from chaos with adaptive circuits on quantum hardware

自然界には、制御不能に見えるシステムが満ち溢れています。気象パターンは嵐へと渦巻き、交通渋滞はわずかな遅延から形成され、捕食者と被食者の個体数は予測不可能なサイクルの中で増減します。しかし、この一見した無秩序さの中に、秩序が生まれることがよくあります。ジェット気流は乱気流の中から組織化され、神経活動は脳の一定のリズムへと同期します。科学者たちは、これらのカオス的なシステムを注意深く観察し、微細かつタイムリーな調整を行うことで、それらを安定した状態へと導けることを古くから知っています。この「カオス制御」の原理は、レーザーを安定させたり、不安定な重力領域を通過する宇宙船を誘導したりすることに役立ってきました。現在、研究者たちは、粒子が複数の状態に同時に存在し、周囲の影響を受けやすいという、量子力学の奇妙で壊れやすい世界においても、同じ考え方が通用するかどうかを問い直しています。

量子領域における課題は甚大です。量子システムは極めて敏感であり、わずかなノイズやエラーが、それらが保持する繊細な情報を破壊してしまいます。量子システムを制御する従来の手法は、測定するという行為自体がシステムの挙動を変えてしまうため、失敗することがよくあります。しかし、ランダムな量子操作と絶え間ないモニタリングを組み合わせた新しいアプローチが登場しました。量子システムの一部を測定し、その情報を利用して他の部分をリアルタイムでリセットまたは修正することで、科学者はフィードバックループを作り出すことができます。「適応型回路（アダプティブ・サーキット）」として知られるこのプロセスにより、研究者は量子システムを混沌から遠ざけ、特定の安定した状態へと導き、事実上、量子的な嵐を鎮めることができるのです。

最近の研究において、IBMとラトガース大学の研究者を中心とするチームは、この概念を大規模に検証しました。彼らは、ベルヌーイ写像として知られる有名な数学モデルを模した量子回路を、超伝導プロセッサ上に構築しました。古典的な形式では、この写像はある数を取り、それを2倍にし、小数部分のみを残すというもので、このプロセスは開始値を急速に混沌へと掻き乱します。研究者たちは、情報の混ざり合い（スクランブリング）を量子ゲートによって行う量子版のベルヌーイ写像を作成しました。この混沌に対抗するために、彼らは制御メカニミングを導入しました。すなわち、ランダムな間隔で特定の量子ビットを測定し、その結果に基づいて、その量子ビットを既知の初期状態へとリセットするという手法です。これにより、情報をあらゆる場所に拡散させようとする「スクランブリングの力」と、システムを単一の秩序ある状態に固定しようとする「制御の力」との間の競争が生み出されました。

この実験は、最大100個の量子ビットを使用し、数十個に限定されていたこれまでの試みから大幅なステップアップとなるIBMの量子プロセッサ上で実施されました。研究者たちは、システムが定常状態に達するまで、数千ステップにわたって回路を実行しました。そして、制御の頻度を調整しながら、システムがどのように振る舞うかを観察しました。制御が弱いとき、システムはカオス的な状態に留まり、情報は複雑に絡み合った量子もつれの網となってすべての量子ビットに広がっていました。しかし、測定とリセットの頻度を高めると、システムは突如として変化しました。それは、カオス的な量子状態から、量子ビットが予測可能なパターンに落ち着く制御された秩序状態へと遷移しました。この転移は、「相転移」として知られ、制御の力がついに混沌の力を凌駕した正確なティッピングポイント（転換点）で発生しました。

この発見を特に重要なものにしたのは、システムの平均的な振る舞いだけでなく、個々の量子の経路における揺らぎにおいても、この転移を観察できたことです。古典的なシステムでは、同じ実験を2回行えば、同じ結果が得られます。しかし量子システムでは、全く同じ設定であっても、測定のランダムな性質により、実行ごとにわずかに異なる結果が生じます。研究者たちは、これらの差異、すなわち「量子揺らぎ」を測定し、それらがティッピングポイントにおいて非常に特定の挙動を示すことを見出しました。これらの揺らぎは、理論的な予測と高い精度で一致する普遍的な法則に従って増大および減少しました。これは、システムが単なるノイズの多い古典的なコンピュータのように振る舞っているのではなく、真に量子的な物体として、量子力学の複雑な規則に従って行動していることを裏付けるものでした。

結果の真正性を確保するため、チームは実験データを2種類のコンピュータ・シミュレーションと比較しました。一方のシミュレーションは、システムを完璧な量子コンピュータとしてモデル化したものであり、もう一方は、量子コヒーレンスをすべて剥ぎ取った古典的なコンピュータとしてモデル化したもので、本質的にノイズの多いランダムなプロセスとして扱ったものです。実験データは、古典的なシミュレーションよりも、完璧な量子シミュレーションに遥かに近い一致を示しました。これは、量子プロセッサが複雑な適応制御を正常に実行しており、絶えず測定・リセットされている状況下でも、その量子的な性質を維持しているという強力な証拠となりました。また、この研究は、混沌から秩序への転移が、単なるシステムの「状態」の変化ではなく、根本的な挙動の変化であることを明らかにしました。つまり、システムがあまりに秩序化された結果、量子力学に特有の複雑な量子もつれを示さなくなる、実質的な古典的挙動への移行であったのです。

この成果は、量子技術の発展における大きな節目となります。数千におよぶ量子操作（測定とリセットを含む）を、多数の量子ビットを用いて成功裏に調整したことで、研究者たちは、将来のフォールトトレラント（誤り耐性）量子コンピュータの構築に不可欠なレベルの制御を実現しました。これらのマシンは、機能するために自らのエラーを常に監視し、修正し続ける必要があります。この実験は、そのような適応制御がノイズが存在する環境下でも可能であることを示しています。現実の量子ハードウェアにおいてこのような転移を観察し理解できることは、現在の古典的なコンピュータでは解決不可能な問題を解くための、量子力学の全貌的な力を活用することへの大きな一歩となります。この研究は、適切なツールさえあれば、最も混沌とした量子システムであっても秩序の状態へと導くことができることを証明しており、新たな量子制御時代の幕開けを告げるものです。