超伝導量子コンピューティング: 量子エラー訂正の先駆者

制作：中国科学普及協会

著者: ルアン・チュンヤン (国立国防科学技術大学理学部)

ウー・ウェイ（国立国防科学技術大学理学部）

王宇同（清華大学物理学博士）

プロデューサー: 中国科学博覧会

予想通り、超伝導量子コンピューティングの研究分野でまた大きなニュースがありました！

2024年12月9日、Google Quantum AIの研究チームが新世代の超伝導量子コンピューティングチップ「Willow」の開発に成功し、学界や産業界から大きな注目を集めました。

当該研究成果は、「表面符号閾値以下の量子誤り訂正」というタイトルで、世界トップクラスの学術誌「ネイチャー」にオンライン掲載された。 Willow 超伝導量子コンピューティング チップの誕生は、約 30 年間科学者を悩ませてきた量子エラー訂正問題が、ついに成功の夜明けを迎えたことを意味します。

図1 新世代超伝導量子コンピューティングチップ「Willow」の研究成果

（画像出典：参考文献[1]）

では、科学者を長い間悩ませてきた「量子エラー訂正」問題とは、いったい何なのでしょうか? Willow 超伝導量子コンピューティング チップの開発成功が科学者をこれほど興奮させるのはなぜでしょうか?読者の皆さん、好奇心を持ち続けて、私たちと一緒に超伝導量子コンピューティング チップの謎を解き明かしてください。

量子エラー訂正：量子コンピューティングのボトルネック問題

計算エラーはコンピューティングにおいては避けられない問題であり、量子コンピューティングにおいてはさらに顕著になります。

これは、量子コンピューティングの基本的な計算単位である量子ビットが、外部環境からのノイズや干渉に非常に敏感であるためです。そのため、実際の量子コンピューティングでは量子ビットに計算エラーが発生しやすく、安定した信頼性の高い計算結果を出力することが困難になります。つまり、量子コンピューティングは特定のタスクの処理において従来のコンピュータを上回る強力な並列計算能力を備えているものの、量子コンピュータはエラーが発生しやすく、まだ「ノイズの多い中間規模量子（NISQ）」段階にあるということです。

量子コンピュータが計算エラーを起こしやすいという問題を解決するために、科学者は「量子エラー訂正」という概念を提案しました。その主な目的は、量子コンピューティングが計算プロセスを中断することなく実際の計算エラーを識別して訂正し、安定した信頼性の高い計算結果を出力できるようにすることです。したがって、量子エラー訂正は、真に実用的な量子コンピュータを構築するための必要条件であると考えられており、今日の量子コンピューティングが直面している「ボトルネック」問題でもあります。

実際、物理学者のピーター・ショアは 1995 年にはすでに量子エラー訂正の概念を提唱していました。中心となるアイデアは、外部干渉に特に敏感な複数の物理量子ビットを非常に信頼性の高い「論理量子ビット」にエンコードし、それによって情報のエンコードされた保護を実現することです。このようにして、科学者は物理量子ビットの一部を使用してこの「論理量子ビット」の全体的な状態を識別し、発生する計算エラーを修正するための適切な解決策を決定することができます。

「論理量子ビット」は抽象的な物理的概念であることに注意してください。これは連携して動作する複数の物理量子ビットで構成されており、エンコードやエラー訂正などの技術を通じて量子情報を保護できます。そのため、「論理量子ビット」の計算性能は物理量子ビットよりも優れており、真に実用的な量子ビットであると考えられています。

「象を冷蔵庫に入れる」のと同じように、量子エラー訂正方式も次の 3 つのステップに分解できます。

1. 量子コーディング: 単一の量子ビットの量子情報を複数の物理量子ビットにエンコードして、「論理量子ビット」を形成します。この目的は、たとえ一部の物理量子ビットが間違っていたとしても、「論理量子ビット」全体の量子情報は保存されるということです。

2. 量子エラー検出: 物理量子ビットの一部のみを測定して、「論理量子ビット」に保存されている量子情報を破壊せずにエラーの場所と種類を特定します。

3. 量子エラー訂正: 検出されたエラーに基づいて、科学者は特定の量子エラー訂正アルゴリズムを使用してエラーが効果的に訂正されるようにし、全体的な計算エラー率を低減します。

理想的には、量子エラー訂正方式に含まれる物理量子ビットの数が増えるほど、「論理量子ビット」の信頼性が高まり、全体的な計算エラー率が低減します。

しかし、理想は美しいが、現実は残酷である。物理的な量子ビット自体にも一定の誤り率があり、量子操作の精度によって制限されるため、実際の大規模な量子誤り訂正処理では、「訂正すればするほど誤りが増える」という困った状況が発生する可能性が非常に高くなります。

図2 量子誤り訂正の模式図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

したがって、「論理量子ビット」が物理量子ビットよりも優れたパフォーマンスを発揮するには、物理​​量子ビットのエラー率が特定のしきい値を下回る必要があります。このようにしてのみ、量子エラー訂正方式は、「訂正すればするほど、エラーが増える」という状態から、「訂正すればするほど、より良くなる」という理想的な目標へと変換できます。

超伝導量子コンピューティング: 量子エラー訂正の先駆者

量子エラー訂正を実行する方法を正式に紹介する前に、まずはこのおなじみの古い友人である超伝導量子コンピューティングについて復習しましょう。

簡単に言えば、超伝導量子コンピューティングのコアコンポーネントはジョセフソン接合です。それがもたらす非線形特性により、特定のエネルギーレベルを物理的な量子ビットにエンコードすることが可能になり、超伝導量子コンピューティングの基本的なコンピューティング ユニットが形成されます。同時に、ジョセフソン接合を有効に機能させるためには、超伝導量子コンピューティングシステムをマイナス273.12℃以下の極低温環境で動作させる必要があります。

図3 超伝導量子コンピューティングの模式図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

では、超伝導量子コンピューティングには、量子エラー訂正の「先駆者」となる独自の利点とは何でしょうか?

まず、超伝導量子コンピューティング ソリューションは、今日の主流の集積回路プロセスと互換性があり、開発サイクルが短く、スケーラビリティが高いなどの利点があります。したがって、科学者は、量子エラー訂正のスケールアップ要件を満たすのに十分な物理量子ビットを超伝導量子コンピューティング システムに準備することができます。

第二に、技術の進歩と制御能力の向上により、超伝導量子コンピューティングの精度が大幅に向上しました。現在、超伝導量子コンピューティング方式における単一量子ビット ゲートのエラー率は 0.092% 未満であり、2 量子ビット ゲートの最大忠実度は 99% を超えるため、量子エラー訂正に必要な高精度の物理量子ビットの要件を満たしています。

まさに上記2つの利点から、超伝導量子コンピューティングは量子エラー訂正を実現するための理想的なプラットフォームであると考えられており、量子エラー訂正の分野でその能力を発揮してきました。

Google Willow 量子コンピューティング チップ - 量子エラー訂正における画期的な出来事

グーグルの量子人工知能研究チームは早くも2019年に、53量子ビットを持つ「Sycamore」と呼ばれる超伝導量子コンピューティングチップの開発に成功し、「量子超越性」を達成したと主張しており、これは量子コンピューティングの発展の歴史における重要な瞬間とみなされている。

図4 2019年にGoogleは超伝導量子コンピューティングチップ「Sycamore」を開発した

（画像出典：参考文献[3]）

前世代の超伝導量子コンピューティングチップ「Sycamore」と比較して、新しいWillow超伝導量子コンピューティングチップは、以前のチップのすべての利点を備えているだけでなく、量子ビットの規模とパフォーマンスの大幅な向上も実現しています。

具体的には、Willow 超伝導量子コンピューティング チップには最大 105 個の超伝導量子ビットが搭載されており、これは前世代の量子コンピューティング チップのほぼ 2 倍です。さらに重要なのは、Willow 超伝導量子コンピューティング チップの量子ビット エラー率が大幅に抑制されており、単一量子ビット ゲートの平均エラー率はわずか 0.035%、二重量子ビット ゲートの平均エラー率はわずか 0.33% であることです。つまり、この新しい量子コンピューティング チップは量子エラー訂正に特に適しており、実用的なアプリケーション向けに大規模に拡張できることが期待されます。

研究結果によると、超伝導量子ビットの数が増加するにつれて、Willow 超伝導量子コンピューティング チップの計算エラー率は指数関数的に減少し、いわゆる「修正が多ければ多いほど良い」という結果が出ています。これにより、ウィロー超伝導量子コンピューティング チップは、量子ビット数を増やしながらコンピューティング エラー率を削減できる世界初の量子コンピューティング システムとなります。これは量子エラー訂正における「マイルストーン」イベントともみなされています。

図5 2024年12月、Googleが開発した超伝導量子コンピューティングチップ「Willow」

(画像出典: Google Quantum AI)

100隻の船が流れの中で競い合う：常に存在する中国の力

特筆すべきは、2024年12月17日に中国科学技術大学の研究チームが新型の「祖崇志3号」超伝導量子コンピューティングチップの開発に成功したことである。その研究結果は「105量子ビットのZuchongzhi 3.0プロセッサによる量子計算の優位性における新たなベンチマークの確立」と題され、プレプリントライブラリarXivにアップロードされました。

研究結果によると、「祖崇志3号」超伝導量子コンピューティングチップも最大105個の超伝導量子ビットを持ち、さまざまな性能指標においてWillow超伝導量子コンピューティングチップに匹敵することがわかりました。現在、研究チームは「祖崇志3号」超伝導量子コンピューティングチップをベースに関連試験作業を実施しており、大規模な量子エラー訂正や量子ビット操作への道を切り開いている。

図6 2024年12月、中国科学技術大学の研究チームも新型「祖崇志3号」超伝導量子コンピューティングチップの開発に成功した。

（写真提供：USTCニュース）

実際、量子コンピューティングという戦略的分野における国際競争において、中国の力が欠如したことはない。

中国科学技術大学の研究チームは、早くも2021年に国産初の超伝導量子コンピューティングチップ「祖崇志」を開発しました。このチップは62個の超伝導量子ビットを持ち、「量子優位性」も達成しており、これは中国の量子コンピューティング発展の歴史における重要な瞬間とみなされています。当該研究成果は、「プログラム可能な2次元62量子ビット超伝導プロセッサ上の量子ウォーク」というタイトルで、世界トップクラスの学術誌「サイエンス」に掲載されました。

そして2022年、研究チームは「祖崇志」のアップグレード版である「祖崇志2号」に17量子ビットからなる誤り訂正表面コードを実装し、表面コードの繰り返し誤り訂正に初めて成功した。この研究は、超伝導量子コンピューティングにおける繰り返し量子エラー訂正に表面コードを使用することの実現可能性を初めて実証しました。関連する研究結果は、「超伝導量子ビットによるエラー訂正表面コードの実現」というタイトルで、トップ物理学ジャーナル「Physical Review Letters」に掲載されました。

2023年には、南方科技大学の研究チームも超伝導量子コンピューティングにおける量子エラー訂正研究で画期的な進歩を遂げた。研究チームは、リアルタイム繰り返し量子誤り訂正方式を採用して量子情報の保存時間を延長し、世界で初めて損益分岐点を超え、量子誤り訂正の巨大な実用価値を実証しました。当該研究成果は、世界トップクラスの学術誌「ネイチャー」に「離散変数符号化論理量子ビットで損益分岐点を突破」というタイトルで掲載されました。

結論

まとめると、量子コンピューティングは、量子力学と情報科学を組み合わせた学際分野として、量子力学の最新の発展方向の 1 つであり、「第 2 の量子革命」の重要な象徴であると考えられています。

現在、量子コンピューティングは科学技術研究と国際競争において重要な岐路に立っています。それは大きな科学的意義と戦略的価値を持っています。世界の主要な科学技術大国から広く注目を集め、多数の商業技術大手やトップクラスの量子研究機関が誕生しました。その中でも、超伝導量子コンピューティングシステムとイオントラップ量子コンピューティングシステムに代表される2つの主要な物理的実装方式は、科学界では量子コンピューティングを実現するための主流の技術的ルートであると考えられています。現在は「第2の量子革命」の幕開けともいえる時代であり、国際競争は激化しています。

では、私たちがよく知っている超伝導量子コンピューティング システムに加えて、イオントラップ量子コンピューティング システムはどのような重要な役割を果たすのでしょうか?読者の皆さん、好奇心を持ち続けて、次の記事で一緒にさらなる量子の謎を探りましょう!

参考文献:

[1] Acharya R、Aghababaie-Beni L、Aleiner I、他。表面符号閾値以下の量子誤り訂正[J]。自然（2024年）。 https://doi.org/10.1038/s41586-024-08449-y

[2] Shor P W.量子コンピュータメモリにおけるデコヒーレンスを低減する方式[J]。フィジカルレビューA、1995年、52(4):R2493。

[3] Arute F、Arya K、Babbush R、他。プログラム可能な超伝導プロセッサを用いた量子優位性[J]。ネイチャー、2019、574(7779):505-510。

[4] Gao D、Fan D、Zha C、他。 105量子ビットのZuchongzhi 3.0プロセッサによる量子計算の優位性における新たなベンチマークの確立[J]。 arxiv プレプリント arxiv:2412.11924、2024。

[5] Gong M、Wang S、Zha C、et al.プログラム可能な2次元62量子ビット超伝導プロセッサ上での量子歩行[J]。サイエンス、2021、372（6545）：948-952。

[6] Zhao Y、Ye Y、Huang HL、他。超伝導量子ビットによる誤り訂正表面符号の実現[J]。フィジカルレビューレターズ、2022年、129(3): 030501。

[7] Ni Z、Li S、Deng X、他。離散変数エンコード論理量子ビットで損益分岐点を突破[J]。ネイチャー、2023、616(7955):56-60。