量子エラー訂正（QEC）は、実用的で信頼性の高い量子コンピュータを構築するために不可欠な要素である。量子ビットは、モダリティに関係なく、その状態を変化させるノイズや環境擾乱の影響を非常に受けやすい。物理量子ビットの集まりから論理量子ビットを構成し、エラー訂正符号を使用することで、QECはエラーを検出・訂正し、より長く正確な量子計算を可能にする。
この実験的研究は、我々のジェミニクラス量子コンピュータで行われ、大規模量子計算の最も重要な構成要素の1つである論理的魔法状態蒸留（MSD）を実現した。スタビライザー状態やクリフォード演算は、エラー訂正された量子コンピュータ上では実装が容易であることが多い。しかし、このような状態は古典的なシミュレーションでも効率的に実現可能であり、普遍的な量子計算には不十分である。そこで登場するのがマジック状態である：「マジック状態とは、量子状態が安定化状態からどれだけ離れているかを示すもので、普遍的な量子計算を実行し、量子的な利点を得るための重要なリソースである。残念ながら、高品質の魔法状態は、大規模量子コンピュータのために準備するのが最も複雑なものの1つである。マジックステートの蒸留は、複数の低忠実度のマジックステートを精製することによって、高忠実度のマジックリソースを準備する。これはよく研究されているプロトコルであるが、これまで論理レベルのMSDは実証されていなかった。本研究では、2次元カラーコードを用いて、中性原子量子コンピュータ上で論理レベルMSDを実現した。距離3コードと距離5コードの両方で、出力の魔法状態の忠実度が入力を上回ることを実証した。また、蒸留利得を実証するだけでなく、入力状態の忠実度を変化させながら、MSDプロセスの二次誤差抑制をプローブし、出力の改善を実験的に検証した。中性原子プラットフォームは、動的再構成可能性や並列制御といったユニークな利点を提供する。我々は、10個の距離3または5個の距離5の論理量子ビットを同時に符号化し、これらの特徴を横方向の操作に活用した。これらの実験は、普遍的なフォールトトレラント量子計算の重要な構成要素を実証するものであり、大規模論理量子プロセッサーに向けた重要な一歩となる。
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Zhou, H., Zhao, C., Cain, M., Bluvstein, D., Duckering, C., Hu, H.Y., Wang, S.T., Kubica, A., & Lukin, M.D. (2024).高速量子コンピューティングのためのアルゴリズムのフォールトトレランス arXiv preprint, arXiv:2406.17653
QECチームは、ハーバード大学やイェール大学の研究者と共同で、量子コンピューティングにおけるアルゴリズム横断的なフォールトトレランスのための新しいフレームワークを提案している。従来のQEC手法では、論理演算ごとにシンドローム抽出を繰り返す必要があるため、論理クロック速度が物理クロック速度よりも大幅に遅くなる（関連する領域では30倍程度）。本研究では、新しいフォールト・トレランス戦略であるトランスバーサル・アルゴリズム・フォールト・トレランスを提案・証明し、デコードにおいて完全なアルゴリズム・コンテキストを考慮することで、QECの時間オーバーヘッドを10～100分の1に削減する。さらに、この手法の数値シミュレーションにおいて、競争力のある性能が得られることを示す。これにより、量子フォールトトレランスの理論に新たな光が当てられ、実用的なフォールトトレランス量子計算の時空間コストを桁違いに削減できる可能性がある。
Q.Xu*、J. P. Bonilla Ataides*、C. A. Pattison、N. Raveendran、D. Bluvstein、J. Wurtz、B. Vasic、M. D. Lukin、L. Jiang、H. Zhou、再構成可能な原子アレイを用いたコンスタント・オーバーヘッド・フォールトトレラント量子計算、Nature Physics 20, 1084 (2024)
ハーバード大学、シカゴ大学、カリフォルニア工科大学、アリゾナ大学の研究者との共同研究により、QECの空間オーバヘッドを削減することが期待される高レート量子低密度パリティチェック（qLDPC）符号を、現在利用可能な中性原子アレイのツールを用いて物理的に実現することを提案する。QLDPC符号は一般的に実験的に実装することは困難と考えられていたが、そのような符号の積構造を明らかにすることにより、最新の光学ツールの制御並列性を利用することで、現在の中性原子ハードウェアで実装できることを示す。さらに、現実的なノイズモデルのもとでその性能をシミュレーションし、実際に関連する領域において空間オーバヘッドを一桁削減することに成功した。我々の研究は、現在の実験技術に基づくqLDPCコードを用いた低オーバーヘッドの量子計算を実用的な規模で探求する道を開くものである。
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Cain, M., Zhao, C., Zhou, H., Meister, N., Ataides, J.P.B., Jaffe, A., Bluvstein, D., & Lukin, M.D. (2024).横ゲートによる論理アルゴリズムの相関復号。Physical Review Letters.
ハーバード大学が主導するこの共同研究において、我々は、横方向のゲートを用いて実装された論理的量子アルゴリズムに相関復号戦略を用いることを探求している。その結果、論理アルゴリズムの性能は、横方向のエンタングルゲート中の物理的エラー伝搬を考慮して量子ビットを共同で復号することによって大幅に改善されることが示された。これらの結果は、相関復号が早期のフォールトトレラント計算において大きな利点を提供することを示し、大規模論理アルゴリズムにおいて時空間コストを削減する大きな可能性を示している。
本論文は、ハーバード大学の共同研究者が主導し、ハーバード大学初の原子アレイ実験システムで実験的に行われたもので、再構成可能な原子アレイを用いた論理量子プロセッサーの画期的なデモンストレーションを紹介する。中性原子が物理量子ビットとして機能し、論理量子ビットが並列演算によって制御されるスケーラブルなアーキテクチャを紹介する。主な革新技術として、動的な量子ビットの再構成と、個々の物理量子ビットではなく論理量子ビットの直接的で効率的な制御が挙げられる。我々は、符号距離をd=3からd=7に拡大することにより、サーフェスコード2量子ビット論理ゲートの改良を実証し、フォールトトレラントに論理GHZ状態を準備し、最大48個の論理量子ビット、228個の論理2量子ビットゲート、48個の論理CCZゲートを持つ計算上複雑なサンプリング回路を実現する。このアーキテクチャは、フォールト・トレラント量子計算への重要な一歩であり、これまでで最も複雑なエラー訂正量子アルゴリズムを実現している。また、異なる量子誤り訂正符号や量子アルゴリズムに対するアトムアレイの柔軟な適応性も示している。
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