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2023 年 6 月 7 日

新しい種類の問題を解決するという大きな期待にもかかわらず、今日の量子コンピューターは本質的にエラーが発生しやすいものです。 温度、圧力、磁場の変化など、周囲の環境の小さな変動により、量子ビットと呼ばれる壊れやすい計算の構成要素が破壊される可能性があります。

今回、シカゴ大学プリツカー分子工学大学院の研究者らは、量子システム周囲のノイズを常に監視し、量子ビットをリアルタイムで調整して誤差を最小限に抑える新しい方法を開発した。

Science 誌にオンラインで説明されているこのアプローチは、スペクテーター量子ビット、つまりデータを保存するのではなく外部ノイズを測定することのみを目的としてコンピューターに埋め込まれた量子ビットのセットに依存しています。 このようなスペクテイター量子ビットによって収集された情報は、重要なデータ処理量子ビットのノイズを打ち消すために使用できます。

アシスタント。 研究を主導したハンネス・ベルニエン教授は、この新しいシステムを、周囲の騒音を継続的に監視し、反対の周波数を放射して騒音を打ち消すノイズキャンセリングヘッドフォンに例えています。

「このアプローチにより、データ量子ビットの品質を非常に確実に向上させることができます」とバーニエン氏は述べています。 「これは量子コンピューティングと量子シミュレーションの文脈において非常に重要であると私は考えています。」

既存の量子コンピューターがスケールアップされるにつれて、ノイズとエラーの課題が増大しています。 問題は 2 つあります。量子ビットは環境に応じて簡単に変化するため、内部に保存されている情報が変更され、高率のエラーが発生する可能性があります。 さらに、科学者が量子ビットがさらされているノイズを測定しようとして量子ビットを測定すると、量子ビットの状態が崩壊し、データが失われます。

「量子システム内のエラーを修正しようとするのは、非常に気の遠くなるような困難な作業だ」とバーニエン氏は語った。

理論物理学者らは以前、スペクテーター量子ビットを使用した解決策を提案していた。これは、必要なデータを格納しないが、量子コンピューター内に埋め込むことができる一連の量子ビットである。 観客量子ビットは環境の変化を追跡し、ノイズキャンセリングヘッドフォンに含まれるマイクのように機能します。 もちろん、マイクは音波のみを検出しますが、提案されているスペクテイター量子ビットは、量子ビットを変化させる可能性のある環境の摂動に応答します。

Bernien のグループは、この理論的概念を使用して、彼らが好む量子コンピューターである中性原子量子アレイのノイズを打ち消すことができることを実証することに着手しました。

中性原子量子プロセッサでは、光ピンセットと呼ばれるレーザー光線を使用して原子を所定の位置に吊り下げます。バーニエン氏はこの開発に協力し、ブレークスルー賞財団による 2023 年の物理学ニューホライズン賞などの栄誉を獲得しました。 これらの浮遊原子の大規模なアレイでは、それぞれが量子ビットとして機能し、重ね合わせ状態内で情報を保存および処理できます。

2022 年に、バーニエンらはルビジウム原子とセシウム原子の両方を含むハイブリッド原子量子プロセッサを作成できる能力を初めて報告しました。 現在、彼らはそのプロセッサを改造して、ルビジウム原子がデータ量子ビットとして機能し、セシウム原子がスペクテーター量子ビットとして機能するようにしました。 研究チームは、ルビジウム原子からリアルタイムデータを継続的に読み取り、それに応じてマイクロ波振動でセシウム原子を微調整するシステムを設計した。

バーニエン氏によると、課題はシステムが十分に高速であることを保証することであり、ルビジウム原子の調整はほぼ瞬時に行う必要があるという。

「これが本当に興味深いのは、データ量子ビットのノイズを最小限に抑えるだけでなく、量子システムと実際にリアルタイムで対話する例でもあるということです」とバーニエン氏は語った。

誤差最小化アプローチをテストするために、バーニエン氏のグループは量子アレイを磁場ノイズにさらしました。 彼らは、セシウム原子がこのノイズを正確に拾い上げ、システムがルビジウム原子でそれをリアルタイムで打ち消すことを示しました。

しかし、研究グループは、初期のプロトタイプは単なる出発点にすぎないと述べている。 彼らは、ノイズの量を増やし、摂動の種類を変えて、このアプローチが有効かどうかをテストしたいと考えています。

「このシステムの感度を大幅に向上させる方法について、私たちは興味深いアイデアを持っていますが、それを実装するにはさらに多くの作業が必要になるでしょう」とバーニエン氏は語った。 「これは素晴らしい出発点でした。」

最終的には、スペクテーター量子ビットのシステムが、あらゆる中性原子量子コンピューターや他のアーキテクチャの量子コンピューターのバックグラウンドで常に実行され、コンピューターがデータを保存して計算を行う際のエラーを最小限に抑えることができるとバーニエン氏は想像しています。

—プリツカー分子工学大学院によって最初に発表された論文を改作したもの。

引用: 「スペクテーター量子ビットの配列を使用した相関位相誤差の中間回路補正」 Singh et al、サイエンス、2023 年 5 月 25 日。

資金提供: 米国海軍研究局、米国空軍科学研究局、ハイブリッド量子アーキテクチャおよびネットワークのための国立科学財団 QLCI、スローン財団。

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