UCLとNQCCの研究者、Quantinuum H2上でQLDPCブロック内の論理量子ビット1個を測定

プレプリントが、QuantinuumのイオントラッププロセッサーH2-2でのQLDPCサージャリーを報告。ブロック内の2つの符号化量子ビットの一方だけを読み出し、他方を保持した。

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複数の論理量子ビットを1つのブロックにまとめる符号は、誤り耐性量子コンピューティングのハードウェアコストを下げると期待されているが、それは符号化された各量子ビットを個別に操作できる場合に限られる。新たなプレプリントが、まさにその能力をハードウェアで試した結果を報告した。University College LondonのSurabhi Luthra氏と英国National Quantum Computing Centre（NQCC）のAlex Owens氏は、QuantinuumのイオントラッププロセッサーH2-2を用い、2量子ビットの符号ブロック内にある論理量子ビットの1つを、隣の量子ビットを乱さずに測定した。この手法はQLDPCサージャリー（QLDPC surgery）と呼ばれる。

発表の内容

論文Individually Addressed Logical Pauli Measurements by QLDPC Surgery on a Trapped Ion Quantum Computerは2026年10月28日にarXivへ投稿された。著者らによれば、知る限り、複数量子ビットのブロック内で個々の論理量子ビットをQLDPCサージャリーで測定した例はこれまでハードウェア上でなかったという。従来のサージャリー実験は、それぞれ1つの論理量子ビットしか持たない符号ブロックに対する格子サージャリー（lattice surgery）だったと指摘している。

技術的な詳細

チームは、量子低密度パリティ検査（QLDPC）符号の一種である[[10,2,3]]一般化バイシクル符号を使い、2つの論理量子ビットを10個の物理データ量子ビットに符号化した。選んだ論理演算子を読み出すため、符号ブロックを追加の量子ビットで構成した補助的な「ガジェット」と一時的に結合する。ガジェット上で測定したチェックから対象の論理演算子の値がわかり、ブロックはその後も符号空間にとどまる。そのため、符号化状態を崩壊させるトランスバーサル読み出しとは異なり、この測定は非破壊的となる。

論文によると、結果は次のとおり。

7個のガジェット量子ビットを用いた1ラウンドのサージャリーで、1番目の論理量子ビットのX演算子を誤り率0.72%で測定し、その後の誤り1.03%のトランスバーサル測定と一致した。
3ラウンドのシンドローム抽出にわたる復号により、ガジェットの測定誤りは0.26%未満に抑えられた。
測定対象外の「傍観者」論理量子ビットは3ラウンド測定の間、誤り0.21%で保持され、サージャリー後のシンドロームはブロックが符号空間に戻ったことを確認した。
同じガジェット量子ビットを再利用して1番目の論理量子ビットでX、続いて2番目でZを測定したところ、2回目の測定の誤りは1.12%だった。

著者らは、このガジェット構成が任意のQLDPC符号に適用でき、Pinnacleと呼ばれる提案アーキテクチャーの処理ブロックの基盤になっていると述べている。

なぜ重要か

論文は、表面符号に基づく誤り耐性には論理量子ビット1個あたり数百から数千の物理量子ビットが必要だと指摘する。QLDPC符号はブロックごとに複数の論理量子ビットを格納することでこのオーバーヘッドを減らせるが、最近接を超える接続と、符号化された各量子ビットを個別に指定する手段が必要になる。非破壊的で個別に指定できるパウリ測定は、マジック状態の供給と組み合わせれば、パウリベース計算と呼ばれるモデルにおいて万能計算に十分だ。著者らは今回の結果を、QLDPCアーキテクチャーが依拠するサージャリーの基本操作をハードウェアで検証したものと位置づけている。

今後の注目点

この研究は査読前のプレプリントで、距離3の小さな符号を用いている。同じガジェット手法がより大きく距離の長い符号でも通用するか、完全な論理計算に向けてマジック状態の供給とどう組み合わせるか、再構成可能ではなく固定された接続性を持つハードウェアが妥当な量子ビットコストでこれを支えられるかが、今後の課題となる。