Adaptive Spectroscopy of Fast Two-Level-System Dynamics in Superconducting Qubits

バイオリンがコンサートホールで奏でる、たった一つの完璧な音色を聴こうとしている自分を想像してみてください。次に、そのホールが何千もの、小さくて目に見えない幽霊たちで満たされているところを想像してください。これらの幽霊は怖くはありません。ただ、とても落ち着きがないだけです。数秒おきに、彼らのうちの一人がバイオリンの弦の上に飛び乗り、音のピッチをほんの少し変えたり、音が本来よりも早く消えてしまうようにしたりするかもしれません。量子コンピューティングの世界では、これらの「幽霊」は実在します。それらは**二準位系（TLS）**と呼ばれ、量子コンピュータを構成する材料の中に隠れている、ごく小さな欠陥のことです。

量子コンピュータは、今日のスーパーコンピュータには不可能な問題を解決することを約束する、テクノロジーの次なる大きな飛躍です。これらは「量子ビット（qubit）」を使って計算を行います。しかし、量子ビットは非常に壊れやすいものです。もし量子ビットがエネルギーを失ったり、ノイズによって混乱したりすると、計算は失敗してしまいます。何年もの間、科学者たちは、これらのTLS欠陥が量子ビットのエネルギーを失わせ、ミスを引き起こす主な原因であることを知っていました。問題は、これらの欠陥が非常に巧妙だということです。彼らは動き回り、周波数を変え、オンになったりオフになったりします。これまで、これらを研究するために使われてきたツールは、1時間に1枚しか写真を撮れないカメラでハチドリの写真を撮ろうとするようなものでした。写真が焼き上がる頃には、鳥は移動し、色を変え、どこかへ飛び去ってしまっていたのです。私たちはそこに幽霊がいることは分かっていましたが、彼らがやっている最中を捕まえることはできませんでした。

ここで、賢いトリックを持った新しい研究チームが登場します。彼らは、これらの量子的な幽霊のための「超高速カメラ」を作り上げました。欠陥が何をしているのかを見るために何時間も待つ代わりに、彼らは毎秒数千回、自分の推測を更新するスマートで適応的なシステムを使用しています。この新しい手法によって、彼らはこれらの欠陥が考えていたよりもずっと活発であることを発見しました。いくつかの欠陥はわずか数秒で挙動を切り替え、また別の欠陥は、誰も見たことがないほど速く、まるで家に帰る酔っ払いの足取りのように漂っていくことを見つけたのです。

これは、好奇心旺盛なティーンエイジャーの言葉で語られる、彼らの発見の物語です。

機械の中の幽霊たち

超伝導量子ビットを、非常に敏感なラジオ局だと考えてみてください。それは、例えば5.1ギガヘルツのような特定の周波数で放送しています。その仕事を果たすためには、その正確な周波数にチューニングし続けなければなりません。しかし、ラジオの内部には、絶縁体や金属の中に潜む、小さな目に見えない「欠陥」（TLS）が存在します。時々、ある欠陥がラジオと同じ周波数にチューニングすることに決めます。これが起こると、ラジオは気を取られてしまいます。ラジオはエネルギーをその欠陥へと失い、信号は衰退していきます。これは「緩和（relaxation）」と呼ばれ、量子コンピューティングにとっての敵です。

長い間、科学者たちはこれらの欠陥は主に静止しているものだと考えてきました。もし欠陥を観察したとしても、それは空に浮かぶ雲のように、ゆっくりと漂う程度で、数時間はその場に留まるものだと信じていたのです。これらの欠陥がどこにあり、どのように動くかをマッピングしたい場合、ラジオの周波数をスキャンするために何時間も費やす必要がありました。それは、1日に一度だけ街を歩いて街の地図を作ろうとするようなもので、交通渋滞や人々が走り回っている様子を見逃してしまうことになります。

「スマートカメラ」の突破口

MITやウィスコンシン大学で製作されたデバイスを用いたこの論文の研究者たちは、幽霊を観察するためのより良い方法を作ることに決めました。彼らは、ラジオが瞬時にどのステーションにもチューニングできるかのように、即座に周波数を変更できる特殊なタイプの量子ビットを使用しました。また、操作の頭脳として機能する、FPGA（Field-Programmable Gate Array）と呼ばれる超高速コンピュータチップも使用しました。

単にある一点を長時間じっと見つめるのではなく、彼らのシステムは「適応的」です。想像してみてください。あなたが隠された物体を見つけるために「熱い、冷たい（ホット・アンド・コールド）」というゲームをしているとします。普通のプレイヤーは、ある場所を確認し、1分待ち、それから別の場所を確認します。この新しいシステムは、天才的なプレイヤーのようなものです。一回の推測を行うたびに、次に物体がどこにいる可能性が最も高いかを即座に計算し、すぐにそこへ飛びつくのです。

彼らはこの手法を用いて、量子ビットの周波数範囲をスキャンしました。周波数をチェックするたびに、システムは量子ビットがどれくらいの速さでエネルギーを失っているかを測定しました。もしエネルギーの損失が急増した場合、それはそこに欠陥が存在することを意味していました。システムが非常に高速であったため、1秒足らずで全周波数範囲の「スナップショット」を撮ることができました。これを何度も繰り返すことで、彼らは欠陥の動きの「映画」を作り上げたのです。

驚き：幽霊たちはハイパーアクティブである

彼らがその映画を見たとき、結果は衝撃的なものでした。彼らは、誰もが予想していたよりもずっと速く起こっている、2つの主要な「幽霊のような」挙動を発見しました。

1. テレグラフ・スイッチ（電報のような切り替え）:
いくつかの欠陥は、神経質な手によってオンとオフが切り替えられる照明のスイッチのように振る舞っていました。欠陥はある周波数に留まり、量子ビットにエネルギーを失わせますが、そして突然――パッ！――と、別の周波数へと飛び移るのです。研究者たちは、これらのジャンプが約2.2秒という特性時間で行われることを測定しました。

これは、灯台の光が突然別の方向へ向くようなものです。以前は、これらの切り替えは数時間単位で起こると考えられていました。これらが数秒で起こるという発見は、量子コンピュータの環境が、私たちが考えていたよりもはるかに混沌としていることを意味します。それは、自分が座っている部屋が、実は人々がただじっと座っているのではなく、絶えず椅子から椅子へと飛び移っている状態であると気づくようなものです。

2. 酔っ払いの歩行（スペクトル拡散）:
他の欠陥は、ただジャンプするだけでなく、彷徨っていました。彼らは、まるで酔っ払いが通りをよろめきながら歩くように、周波数スペクトルをゆっくりと漂っていました。研究者たちは、彼らがどれくらいの速さで漂っているか（拡散率）を測定し、約0.9 MHz² s⁻¹であることを発見しました。

ここでの決定的な事実は、この漂うスピードが、完了までに数時間を要した過去の実験で見られたものよりも、約300倍速かったということです。結局のところ、数時間におよぶ遅い測定は、実際には画像を「ぼかして」しまっていたのです。長い時間で全てを平均化することで、科学者たちは、欠陥が実際には猛スピードで動き回っていた事実を見逃していました。それは、霧がかかった窓越しに速い車を見ているようなものです。長い時間だけを見ていると、車はただのぼやけた塊に見えます。しかし、高速カメラがあれば、それがスピードを出しているのが見えるのです。

なぜこれがあなたの未来のコンピュータにとって重要なのか

あなたはこう思うかもしれません。「だから何？ たった数秒速くなっただけじゃないか」と。しかし、量子コンピューティングの世界では、タイミングがすべてです。

研究者たちは、これらの高速で動く幽霊が、実際にコンピュータの論理エラーを引き起こしているかどうかについても確認しました。彼らは「ランダム化ベンチマーク」と呼ばれる、コンピュータの脳へのストレス・テストのようなものを行いました。そして、強い相関関係を発見しました。欠陥が活動的で、量子ビットのエネルギーを急速に失わせているとき、コンピュータは計算においてより多くのミスを犯していました。その相関は強く、値は0.618であり、幽霊たちが間違いなく作業をめちゃくちゃにしていることを示していました。

これは、量子コンピュータの作り方や直し方のゲームチェンジャーとなります。長い間、これらのコンピュータを調整（キャリブレーション）する計画は、数時間おきに行うことでした。しかし、もし欠陥が数秒ごとに飛び回っているとしたら、数時間おきに調整することは、時速100マイルで走行している車に対してエンジンを修理しようとするようなものです。問題を見逃してしまうでしょう。

この論文は、新しい考え方を提示しています。コンピュータを1日に一度チェックする代わりに、常にリアルタイムでチェックする必要があるかもしれません。研究者たちは、彼らの高速な「スマートカメラ」が、これらの問題を発生している最中に特定するために使用できることを示しました。もしシステムが、ある欠陥がトラブルを引き起こしているのを見つけたら、計算を一時停止したり、周波数を調整したりして、その幽霊を完全に回避することができるのです。

結論

この論文は、単に新しい種類の欠陥を見つけたのではありません。私たちがすでに知っていた欠陥が、想像以上にエネルギッシュで予測不可能であることを発見したのです。彼らは静止した幽霊ではなく、ハイパーアクティブなダンサーなのです。

研究者たちは、高速で適応的な測定を用いることで、これらのダンスをリアルタイムで見ることができることを証明しました。彼らは、これらの高速な動きが単なる偶然や装置のミスではないことを、2つの異なるラボで製作された2つの異なるデバイスを用いて証明しました。彼らはまだ、これらの欠陥の問題を解決したわけではありません。これらが正確に何でできているのか、あるいはどうすれば完全に排除できるのかは、まだ分かっていません。しかし、彼らは、これらがどこにいて、どのように動くのかについての、最初の明確で高速なマップを与えてくれました。

それは、古いテレビの「砂嵐」が単なるランダムなノイズではなく、実はたくさんの小さくて素早い生き物たちの集まりであることを発見するようなものです。今や、彼らがそこにいて、どれほどの速さで動いているのかが分かったので、ようやく私たちのショーを台無しにさせないための、より良い盾を作ることが始められるのです。量子コンピューティングの未来にとって、これは大きな前進です。私たちはもはや、幽霊を無視することはできません。しかし今、ようやく、彼らを捕まえるための道具を手に入れたのです。