RutgersとIBM、100量子ビット規模でのリアルタイム・フィードバック制御を報告

Rutgers、IBM、および複数の共同研究機関の研究者らは、プロセッサを動作させたまま、反復的な測定とリセットを行うことで、最大100量子ビットに及ぶリアルタイムの量子フィードバックを実証したと発表した。発表によると、この研究は156量子ビットのIBM Quantum Heronプロセッサ上で実施され、その内容はNature Physicsに掲載された論文で報告されている。この成果は、フォールトトレラント量子コンピューティングの中核要件の1つ、すなわち計算を停止することなくシステムの一部を監視し、繰り返し介入する能力に対応するものだ。

発表内容

研究チームによると、IBMのHeronハードウェア上で最大100量子ビットの連結したチェーンを用い、量子プロセッサが2つの振る舞いをリアルタイムで交互に実行できるかを検証した。1つは隣接する量子ビット間に情報を拡散していくこと、もう1つは個々の量子ビットを測定してからリセットし、その拡散を抑えることだ。

報告によれば、この実験では合計で約5,000回の2量子ビット操作と約5,000回の測定およびリセットが行われた。研究者らは、これをこの種のフィードバックベース制御としてはこれまでで最大の成功例だとしている。

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シニア著者の1人であるRutgersの教授Jedediah Pixleyは、フォールトトレランスを実現するには、計算の途中でこのような検査と補正を何度も実行する必要があると述べた。IBMのシニア著者Maika Takitaは、課題はシステム全体を一時停止するのではなく、プロセッサの残りの部分を動作させたまま測定を繰り返すことだったと語った。

技術的な詳細

この実験では、2つの過程を競合させる形が設定された。1つの過程では、隣接する量子ビット間で情報が広がり、より混沌としたダイナミクスが生まれる。もう1つの過程では、選択した量子ビットを測定してリセットし、研究者らが選んだ秩序だった状態へとシステムを押し戻す。

各過程がどれくらいの頻度で起きるかを変えることで、チームはしきい値的な振る舞いを観測した。情報の拡散が半分を超えて起きると、システムは混沌としたままだった。一方で、検査とリセットが優勢になると、システムは制御可能な秩序相へ移行した。両者がほぼ拮抗する付近では、2つの過程の発生率のわずかな変化によって、システムは急激に変化した。

研究者らによると、この急激な変化は相転移の描像と一致している。すなわち、量子系が混沌から制御へと集団的に切り替わるということだ。共同筆頭著者のHaining Panは、より大きな系を調べるほどこの転移はより明確に定義されるようになり、実験データは理論的予測と一致したと述べた。

この報告では、この結果が誤り訂正にとって重要である理由にも触れている。量子情報は単純にコピーできず、測定は計算中の状態を乱す可能性がある。そのため、実用的なフォールトトレラント・マシンは、符号化された情報を保持しながら、誤りを繰り返し検出・訂正しなければならない。

なぜ重要か

今回の発表では、この成果を物理学上の実証であると同時に、システム工学上のマイルストーンでもあると位置づけている。物理学の観点では、反復的な介入によって、制御不能な量子ダイナミクスから秩序ある制御可能な領域への転移が引き起こされるという理論予測を支持する。ハードウェアの観点では、現在の超伝導ハードウェアが、大規模なデバイス全体で量子ゲート、測定、リセットを何千回も連携させられることを示している。

これは、フォールトトレラント量子コンピューティングがすでに達成されたことを意味するわけではない。報告でも、フォールトトレラント量子コンピュータはまだ誰も構築していないと明記されている。しかし、大規模に反復的な測定・リセットのサイクルを実行する能力は、そのようなシステムに必要な運用上の要素の1つである。

注目点

次の問いは、このような技術が、制御された物理実験にとどまらず、完全な誤り訂正プロトコルへどのように展開されるかだ。この研究は、IBMの動的回路機能が、大きな量子ビット部分集合に対して交互に行われる操作の長いシーケンスを維持できることを示唆しており、将来の論理量子ビット実証に関連する。

この共同研究には、Rutgers、IBM、the City College of New York、the CUNY Graduate Center、Iowa State University、Ames National Laboratory、Pennsylvania State University、Louisiana State Universityの研究者が参加した。発表によれば、このプロセッサにより、研究チームは従来型コンピュータ上でシミュレーション可能だった約24量子ビット規模を大きく超える系を調べることができた。