Demonstration of Logical Error Suppression in a Surface Code Memory on a Cloud-Accessible IBM Superconducting Processor

量子コンピュータは、新しい薬の設計から複雑な暗号の解読に至るまで、今日のコンピュータでは不可能な問題を解決することを約束しています。しかし、これらのマシンは非常に壊れやすいものです。情報を保存するために使用される「量子ビット」と呼ばれる微小な粒子は、熱や振動、あるいは迷走する電磁波によって容易に乱されてしまいます。この敏感さがエラーを引き起こし、計算が完了する前に計算内容を損なってしまいます。有用な量子コンピュータを構築するために、科学者たちはこの情報を保護する方法を見つけなければなりません。彼らは、単一のデータを多くの物理的な量子ビットに分散させることで、いくつかの部分が故障しても生存できる「論理」量子ビットを作り出します。これは量子誤り訂正として知られています。目標は、より多くの物理的な部品を追加することが、システムを不安定にするのではなく、むしろ信頼性を高める段階に到達し、コンピュータが崩壊することなく長時間稼働できるようにすることです。

研究チームは最近、IBM製のクラウドアクセス可能な実際の量子プロセッサ上で、このアイデアをテストしました。彼らは、エラーを検知して修正するためにグリッド状に量子ビットを配置する「表面符号（サーフェスコード）」と呼ばれる特定の手法に焦点を当てました。理論上は、グリッドを大きくすればエラーが劇的に減少するとされていますが、現実世界のハードウェアは混沌としています。量子ビットはすべてが同一というわけではなく、強いものもあれば弱いものもあり、影響を与えるノイズも時間の経過とともに変化します。研究者たちは、単に理論的な設計に頼るのではなく、マシンの動作を注意深く調整することで、実際のハードウェア上でこの誤り訂正をより良く機能させられるかどうかを検証したいと考えました。彼らはNighthawk r2と呼ばれるプロセッサを使用しました。これは表面符号に自然に適合する格子状のレイアウトを備えており、情報を移動させるための追加のステップを必要とせずに、異なる構成をテストすることが可能です。

チームは、エラー訂正のパフォーマンスが、プロセッサのチップ上の正確にどの位置にグリッドを配置するかによって大きく異なることを発見しました。物理的な量子ビットの品質が異なるため、場所によっては非常に優れた結果が得られることもありました。最善の結果を得るためには、場所を賢明に選択する必要がありました。最適な場所を選択した後、彼らは操作のタイミングに注力しました。標準的なセットアップでは、エラーを検出するために使用される「ヘルパー」量子ビット（アンシラ）の状態を読み取るのに長い時間を要します。この読み取り時間の間、メインのデータ量子ビットは待機状態で放置されます。この待機時間は危険であり、データ量子ビットはただそこに留まっているだけで情報を失ってしまいます。研究者たちは、ヘルパー量子ビットをより速く読み取り、即座にリセットする方法を用いることで、この待機時間を短縮できることを見出しました。この単純な変更により、エラーが大幅に減少しました。

彼らはまた、「エコー」と呼ばれるテクニックもテストしました。これは、待機中のデータ量子ビットに対して適用される特定のパルス列であり、アイドル中に拾ってしまうノイズを打ち消すためのものです。このテクニックは、ある一種のデータストレージに対して非常に効果的であり、エラー率を21パーセント削減しましたが、もう一方のタイプへの効果は限定的でした。この高速な読み取り、即時リセット、そしてエコーパルスを組み合わせることで、彼らは最適化されたルーチンを作成しました。この新しいルーチンを標準的な方法と比較したところ、エラー率は劇的に低下しました。一方のメモリタイプではエラーが中央値で73パーセント減少し、もう一方では約30パーセント減少しました。これは、回路の構築方法やタイミングに関する小さな変更が、最終的な結果に多大な影響を与え得ることを証明しました。

次に、研究チームは、グリッドを大きくして、コードの「距離」（システムが耐えられるエラーの数を示す尺度）を増大させた場合に何が起こるかをテストしました。約12ラウンドの誤りチェックを行う短期的な実験では、グリッドを大きくすることは期待通りに機能しました。つまり、より大きなグリッドはより小さなグリッドよりもエラーが少なかったのです。これは、コードが成長するにつれて、システムが正常にエラーを抑制していることを裏付けています。しかし、実験を最大150ラウンドまで延長して長時間実行したところ、大きなグリッドの優位性が失われ始めました。エラー率の低下が止まり、再び上昇し始めたのです。

この長期的な挙動は、隠れた問題を明らかにしました。研究者たちは、エラーが単なるランダムで孤立した事象ではないことに気づきました。その代わりに、エラーのパターンが持続し、実験の多くのラウンドにわたって蓄積していく様子が見られました。これらの残存する相関関係は、システムの中に何かが蓄積していること、おそらく標準的な訂正手法では容易に修正できない種類のエラーが蓄積していることを示唆していました。最適化された回路は、短時間の活動におけるバースト的な処理には優れていますが、長期間にわたって保護を維持することには苦慮しているようでした。本研究は、ハードウェアや回路設計のチューニングによって大きな進歩を遂げることができる一方で、これらのシステムを複雑な計算に必要な長期間安定して稼働させるためには、依然として根本的な課題が存在することを結論付けています。この研究は、信頼できる量子コンピュータを構築するには、優れた理論だけでなく、個々のパルスのタイミングや個々の接続の品質に至るまで、特定の機械が現実世界でどのように振る舞うかについての深い理解が必要であることを浮き彫りにしています。