マイクロソフトとQuantinuumは本日、量子エラー訂正における画期的な進歩を発表しました。Quantinuumのイオントラップハードウェアとマイクロソフトの新しい量子ビット仮想化システムを用いることで、チームは14,000回以上の実験をエラーなしで実行することに成功しました。この新システムにより、チームは論理量子ビットを検証し、発生したエラーを論理量子ビットを破壊することなく訂正することが可能になりました。
両社によると、これにより最先端の量子コンピューティングは、一般的にノイズの多い中規模量子（NISQ）コンピューターの時代と呼ばれてきたものを脱したという。「ノイズが多い」というのは、環境のごくわずかな変化でさえ量子システムが本質的にランダムになる（または「デコヒーレンス」になる）可能性があるためであり、「中規模」というのは、現世代の量子コンピューターが依然としてせいぜい1000量子ビット強に制限されているためである。量子ビットは量子システムにおけるコンピューティングの基本単位で、従来のコンピューターのビットに似ているが、各量子ビットは同時に複数の状態をとることができ、測定されるまで特定の位置にはならない。これが量子がコンピューティング能力を飛躍的に向上させる可能性の根底にある。
ただし、システムのノイズが大きくなりすぎて有用な結果、あるいはまったく結果が得られなくなる前に、基本的なアルゴリズムを実行する時間さえほとんどない場合は、量子ビットの数がいくつであっても意味がありません。
複数の異なる技術を組み合わせることで、チームは数千回の実験をほぼエラーなしで実行することができました。これには相当な準備と、成功に向けて既に良好な状態にあると思われるシステムの事前選定が必要でしたが、それでも、ほんの少し前の業界と比較すると、これは大きな進歩です。
これは量子コンピューティングにとって正しい方向への一歩です。解決すべき課題はまだ多く残っており（もちろん、これらの成果も再現する必要があります）、理論的には、100個の論理量子ビットを備えたコンピューターで既にいくつかの問題を解くことが可能であり、1,000個の量子ビットを備えたマシンは、Microsoftによれば「商業的優位性を切り開く」可能性があります。
研究チームはQuantinuum社のH2トラップイオンプロセッサを使用し、30個の物理量子ビットを4個の信頼性の高い論理量子ビットに統合することに成功しました。複数の物理量子ビットを1個の論理量子ビットにエンコードすることで、システムのエラー防止に役立ちます。物理量子ビットは互いにエンタングルされているため、物理量子ビットのエラーを検出し、修正することが可能になります。
業界を長らく悩ませてきたのがこのエラー訂正である。ノイズが低く、物理量子ビットの品質が高いほど良いのは当然だが、高度なエラー訂正がなければ、これらのシステムはすべて遅かれ早かれデコヒーレンスしてしまうため、NISQ 時代から抜け出す方法はない。
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「エラー率の高い物理量子ビットの数を、そのエラー率を改善せずに単に増やすだけでは無駄です。なぜなら、そうすることで得られる量子コンピュータの性能は、以前よりも向上しない大型化にとどまってしまうからです」と、Azure Quantumのゼネラルマネージャーであるデニス・トム氏と、マイクロソフトの高度量子開発担当バイスプレジデントであるクリスタ・スヴォーレ氏は本日の発表で述べています。「一方、十分な動作品質を持つ物理量子ビットを、専用のオーケストレーションおよび診断システムと組み合わせて仮想量子ビットを有効にすることで初めて、物理量子ビットの数を増やすことで、より長く複雑な計算を実行できる、強力でフォールトトレラントな量子コンピュータが実現します。」
論理量子ビットが物理量子ビットを上回り始めたのは、ほんの数年前のことでした。現在、MicrosoftとQuantinuumは、同社の新しいハードウェア／ソフトウェアシステムが物理量子ビットと論理量子ビットのエラー率の差が最大であり、物理量子ビットのみを使用した場合と比べて最大800倍も改善されていると主張しています。
研究者らは、NISQを超えるには、論理量子ビットのエラー率と物理量子ビットのエラー率の大きな乖離、個々の回路エラーの訂正能力、そして少なくとも2つの論理量子ビット間のエンタングルメント生成能力が必要だと指摘している。もしこれらの結果が成り立つなら、研究チームはこれら3つすべてを達成し、我々はまさにNISQの領域に到達したことになる。安定した時代回復力のある量子コンピューティングの時代。
結局のところ、ここで最も重要な結果は、チームが「アクティブシンドローム抽出」を実行する能力、つまり、プロセス中に論理量子ビットを破壊することなくエラーを診断して修正する能力である可能性があります。
「この成果は、論理量子ビットを破壊せずにエラー訂正を可能にする第一歩であり、量子エラー訂正における根本的なマイルストーンを示すものです」とトムとスヴォアは説明する。「信頼性の高い量子コンピューティングの重要な構成要素であるこの要素を、量子ビット仮想化システムを用いて実証しました。その結果、複数回のシンドローム抽出において低い論理エラー率を実現しました。」
これらの結果を再現し、同様の誤り訂正システムを実装するのは、量子コミュニティの残りのメンバーの責任となるでしょう。しかし、それはおそらく時間の問題でしょう。
「本日の成果は歴史的な成果であり、このコラボレーションが量子エコシステムの限界を押し広げ続けていることを見事に反映しています」と、Quantinuumの創設者兼最高製品責任者であるイリヤス・カーンは述べています。「マイクロソフトの最先端のエラー訂正技術と世界最強の量子コンピューター、そして完全に統合されたアプローチを組み合わせることで、量子アプリケーションの新たな進化に非常に期待しています。特に大規模な量子プロセッサへの移行が進む中で、お客様やパートナーの皆様が当社のソリューションからどのようなメリットを得られるのか、今から待ちきれません。」
詳細については、こちらの技術論文をご覧ください。
フレデリックは2012年から2025年までTechCrunchに在籍していました。また、SiliconFilterを設立し、ReadWriteWeb（現ReadWrite）にも寄稿しています。フレデリックは、エンタープライズ、クラウド、開発者ツール、Google、Microsoft、ガジェット、交通機関など、興味のあるあらゆる分野をカバーしています。
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