量子誤り訂正の世界では、弱者が王を狙ってやって来ます。

先週、10つのグループによる新しいシミュレーションで、量子誤り訂正符号の新興クラスは、表面符号として知られる現在のゴールドスタンダードよりも15桁効率が良いことが報告された。 これらのコードはすべて、エラーが発生しやすい量子ビットの大群を、ほとんど間違いを起こさない「保護された」量子ビットのはるかに小さなバンドに変換することによって機能します。 しかし、XNUMX つのシミュレーションでは、低密度パリティ チェック (LDPC) コードは、表面コードよりも XNUMX ～ XNUMX 倍少ない生の量子ビットから保護された量子ビットを作成する可能性があります。 どちらのグループも、これらのシミュレートされた飛躍を実際のハードウェアに実装していませんが、実験の青写真は、これらのコード、またはそれに似たコードが、より高性能な量子デバイスの到着を早める可能性があることを示唆しています。

「それは本当に実現しつつあるようだ」と彼は言った ダニエル・ゴッツマン メリーランド大学の博士号を取得し、LDPC コードを研究していますが、最近の研究には関与していません。 「これら（コード）は、量子コンピューターを作成する能力を大幅に向上させる実用的なものになる可能性があります。」

古典的なコンピューターは、めったに失火しないビットで動作します。 しかし、量子コンピューターに電力を供給する粒子状の物体 (量子ビット) は、何らかの衝撃でその繊細な状態から外されると、その量子力を失います。 将来の量子ビットを説得して有用なものにするために、研究者は次のようなものを使用することを計画しています 量子誤り訂正、余分な量子ビットを使用して情報を冗長にエンコードする実践。 これは、各単語を XNUMX 回話して、より多くの文字に情報を分散させることでメッセージを静的から保護するのと精神的に似ています。

正規王

1998 年、カリフォルニア工科大学のアレクセイ キタエフと、当時ロシアのランダウ理論物理学研究所のセルゲイ ブラヴィは、量子誤り訂正表面符号を導入しました。 量子ビットを正方形のグリッドに編成し、マインスイーパーのゲームのようなものを実行します。各量子ビットは 0 つの隣接量子ビットに接続するため、指定されたヘルパー量子ビットをチェックすることで、データを運ぶ 1 つの量子ビットを慎重に覗き見ることができます。 チェックで XNUMX が返されるか XNUMX が返されるかに応じて、近隣の一部にエラーがあるかどうかを推測できます。 ボード全体をチェックすることで、どこにエラーがあるかを推測し、修正することができます。

これらのチェックと、あやふやな量子ビットのより微妙な調整を通じて、正方形ブロックのデータを運ぶ量子ビット全体にわたって、正確にここかそこではなく、ある種のあらゆる場所に、信頼できる量子ビットを隠すこともできます。 あやふやな量子ビットがマインスイーパーの操作をスムーズに進めている限り、隠された量子ビットは安全なままであり、操作して操作を実行することができます。 このようにして、表面コードは、多くの粗末な量子ビットを、めったにエラーのない単一の量子ビットにエレガントに融合します。

「私にとって少し面倒なのは、サーフェス コードが考えられる中で最も単純なものであるということです」と彼は言いました。 ニコラス・ブリュックマン、ブリストル大学の物理学者から数学者に転向した彼は、このスキームの改善に何年も費やしてきました。 「そしてそれは驚くほど優れたパフォーマンスを発揮します。」

このコードはエラー修正のゴールドスタンダードとなりました。 不正な動作をする量子ビットに対して非常に耐性があり、グリッドは視覚化が容易でした。 その結果、表面コードは量子プロセッサと量子ロードマップの設計に影響を与えました。

「それがやるべきことだったんだ」と彼は言った バーバラ・ターハル、オランダのQuTech研究所の量子情報理論家。 「これはあなたが作らなければならないチップです。」

表面コードの欠点は、実際にはまだ完全に実証されていないことですが、量子ビットに対する飽くなき欲求です。 信頼できる量子ビットをより強力に保護するには、粗悪な量子ビットのより大きなブロックが必要です。 また、複数の保護された量子ビットを作成するには、複数のブロックをつなぎ合わせる必要があります。 多くの保護された量子ビット上で量子アルゴリズムを実行することを夢見ている研究者にとって、これらは厄介な負担です。

2013 年、ゴッツマンはこの混乱から抜け出す可能性のある方法を見出しました。

Terhal と Bravyi を含む研究者は、 証拠を見つけた これは、隣接するコードを隣接するコードに接続するだけのフラット コードの場合、サーフェス コードが期待通りの効果を発揮したことを示唆しています。 しかし、各チェックで遠く離れた量子ビットをリンクできるようにしたらどうなるでしょうか? 量子情報理論家はすでに、このような「非ローカル」接続を特徴とするコード (カジュアルにLDPC コードと呼ばれています) の探索を開始していました。 (紛らわしいことに、サーフェス コードも技術的にはLDPC コードですが、実際には、この用語は非ローカル チェックを持つよりエキゾチックなクラン メンバーを指すことがよくあります。)

次に Gottesman 氏は、特定のLDPC コードはそれほど貪欲ではない可能性があることを示しました。これらのコードは、複数の保護された量子ビットを XNUMX つのブロックに詰め込むことができ、これにより、大規模なアルゴリズムに対する表面コードの量子ビット要件の膨張を回避するのに役立ちます。

しかし、ゴッツマンの研究は高度に理想化されており、本質的に無限の量子ビットの群れであると考えられていました。 実際的な課題は、研究者がその威力を維持しながら、実際の量子デバイスで動作するようにLDPCコードをスケールダウンできるかどうかを確認することでした。

仮想保護のデモンストレーション

過去 XNUMX 年間で、 ブリュックマン & 他の研究者 彼らは、ますます小型のシステム上で実行できるLDPCコードのパフォーマンスを精査し始めています。 おそらく 100 個の生の量子ビットを供給できる今日のデバイスに適合するものがあるのではないかという期待がありました。

先週Bravyi 率いる IBM の研究者チームは、 あまり知られていない紙 これは、表面コードによる 2012 つの隣接する量子ビットのチェックから始まり、慎重に選択された XNUMX つの「非ローカル」量子ビットを追加しました。

彼らは発生する可能性のあるさまざまなエラーをシミュレートしました コードが実際の回路で実行される場合、そのプロセスはデジタル戦闘機をデジタル風洞に突っ込み、それがどのように飛ぶかを観察するようなプロセスです。 そして、彼らのコードは表面コードよりもはるかに効率的に信頼性の高い量子ビットを保護できることを発見しました。 288 回のテスト実行では、コードは 0.1% の確率で失敗した 12 個の生量子ビットを取得し、それらを使用して 10,000 分の 4,000 低い失敗率で XNUMX 個の保護された量子ビットを作成しました。 同じタスクの場合、表面コードには XNUMX 以上の入力量子ビットが必要になるとチームは推定しました。

「これには非常に驚きました」とIBMチームの研究者アンドリュー・クロス氏は語った。

このシミュレーションは、明日の誤り訂正を今日実現できる可能性を示唆しています。4,000 量子ビットにアクセスできる人は誰もいませんが、数百量子ビットを備えたデバイスがすぐそこまで来ているからです。

「今日私たちが持っている多くの量子ビットを備えたデバイスでは、かなりの量の耐障害性が見られるでしょう」とゴッツマン氏は言いました。

IBM のプレプリントが発表された翌日、 ミハイル・ルキン ハーバード大学と 梁江 シカゴ大学の 同様の結果を投稿しました。 （研究者らは、査読誌に投稿された自分たちの研究について議論することを拒否した。）彼らは他のXNUMX件の埃を払っていた。 LDPC コー​​ド、シミュレーション用にそれらを修正したところ、これらも表面コードと比較した場合、数十から数百の良好な量子ビットを作成するために必要な入力量子ビットの数が約 XNUMX 分の XNUMX であることがわかりました。

しかし、F-35 の構築は F-35 のシミュレーションよりも難しく、LDPC コード対応デバイスの構築も非常に困難になります。 「これらの活動が実際に蔓延するのを阻止できる主な要因が XNUMX つあります」とゴッツマン氏は語った。

まず、量子ビット間に非局所的な接続を作成することは、特に、動かない超伝導回路から量子ビットを製造する IBM のような企業にとっては困難です。 これらの回路を隣接する回路と接続するのは自然なことですが、離れた量子ビット間にリンクを作成することは自然ではありません。

第 XNUMX に、LDPC コードは、IBM シミュレーションの場合のように、保護された量子ビットがメモリに使用される場合に優れています。 しかし、これらの漠然とした重なり合う量子ビットを計算に使用する場合、複雑な非局所的なコード構造により、目的の量子ビットを選択して操作することが非常に困難になります。

「これらの計算を行うことが原理的に可能であることはわかっています」と、2013年の研究でそのためのスキームを描いたゴッツマン氏は述べた。 「しかし、本当に現実的な方法でそれが可能かどうかはわかりません。」

ルーキン氏らは、これらの主要な弱点に対処するために控えめな措置を講じた。 まず、チームは、LDPC で保護された量子メモリと表面コードで保護された量子プロセッサを融合することで、エンドツーエンドの計算をシミュレートしました。 このスキームでは、量子ビットの節約は計算の負担を大幅にカバーしましたが、その代償として計算の実行に時間がかかりました。

さらに、ルーキン氏のチームはシミュレーションを次のタイプに合わせて調整しました。 フリーローミング量子ビット これは長距離接続の手配に自然に適合します。 定常超伝導回路とは異なり、その量子ビットはレーザービームによって保持される原子です。 レーザーを移動させることで、遠く離れた量子ビットを接触させることができます。 「これは、LDPC コードにとっては素晴らしいことです」と Breuckmann 氏は言います。

LDPC コードがいつ実用化されるか、あるいは実用化されるとしても、依然として不透明です。 信頼性の高い数十個のメモリ量子ビットの実証は、最も楽観的な予測でも少なくとも数年先になる可能性が高く、計算はまだ先のことです。 しかし、最近のシミュレーションでは、表面コードが目的地ではなく、量子計算への道への足がかりのように見えることが増えています。

「サーフェスコードが20年間存在し続けているのには理由があります」とブロリュックマン氏は言う。 「これに勝つのは難しいですが、実際に勝つことができるという証拠が得られました。」