マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者が、量子計算を高精度で行える新しい回路を開発した。この成果に利用されたのは、「フラクソニウム (fluxonium)」と呼ばれる新しいタイプの超伝導量子ビットとのことだ。

量子コンピューターは、将来的には現在使用されているスーパーコンピューターでは数百年かかるような計算を一瞬で行える能力を有すると考えられており、半導体が微細化の限界を迎える中で、コンピューティングの次のフロンティアと考えられている。だが、このような高速処理の裏返しとして、同様に高速にエラーを蓄積することも問題となっている。

たとえ小さなエラーであっても、大規模なシステムにおいては、そのエラーは急速に増幅され、システムの障害を引き起こす可能性がある。そのため、量子システムには、計算が正しく行われるように、計算と並行して動作する同様に高速なエラー訂正システムが必要となる。

より高い精度を得るためのフラクソニウムの利用

量子コンピュータのこれまでの研究では、トランズモン（transmon）量子ビットが使われてきた。しかし最近では、トランズモンよりもコヒーレンス時間が長いフラクソニウム量子ビットが人気を集めている。

コヒーレンスとは、量子ビットがすべての情報を失う前にアルゴリズムを解除できる時間のことである。フラクソニウム量子ビットはミリ秒以上のコヒーレンス時間を実証しているが、これはトランズモンの10倍である。量子ビットのコヒーレント時間が長ければ長いほど、ゲートでの量子演算の忠実度や精度が高くなる。ゲートとは、1つ以上の量子ビットを用いて実行される論理演算のことである。

誤り訂正符号を使って誤り率を減らすこともできる。しかし、そのような符号を実装するためには、演算が「忠実度のしきい値」を通過する必要があり、演算の精度を向上させることで、そのような符号を実装するためのオーバーヘッドを減らすことができる。

回路はどのように機能するのか？

マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究チームは、回路設計において、2つのフラクソニウム量子ビットの両端に、調整可能なトランズモン・カプラーを使用した。このフラクソニウム-トランズモン-フラクソニウム（FTF）アーキテクチャは、フラクソニウム量子ビットを単独で使用した場合と比較して、より強力な結合を実現したという。

研究者らの実験では、1量子ビットゲートを使った場合は99.99％、2量子ビットゲートを使った場合は99.9％の計算精度が実証された。これらの忠実度は、誤り訂正符号のしきい値よりもはるかに高く、大規模システムで使用することができる。

FTFアーキテクチャは、量子計算中のバックグラウンドでの不要な相互作用を最小化するため、これらのスコアにおいて重要な役割を果たしている。カップリングが大きくなるにつれて、科学者たちはZZ相互作用と呼ぶものにより、システム内のバックグラウンド・ノイズはより永続的になる。FTFアーキテクチャはこの問題を克服するのに役立った。

「この研究は、2つのフラクソニウム量子ビットを結合するための新しいアーキテクチャを開拓しました。達成されたゲート忠実度は、フラクソニウムとしては過去最高であるだけでなく、現在主流の量子ビットであるトランズモンと同等です」と、Alibabaのグローバル研究機関であるDAMOアカデミー量子研究所の実験量子チームの責任者であるChunqing Deng氏はプレスリリースで述べている。さらに重要なのは、このアーキテクチャはパラメーターの選択において高い柔軟性を提供していることだ。「これは、マルチ量子ビットのフラクソニウム・プロセッサにスケールアップするために不可欠な機能です」。

これらの成果を基に、研究者らは最近、量子コンピューティングの新興企業Atlantic Quantumを設立した。同社は、フラクソニウム量子ビットを使用して、商業用および産業用の実用的な量子コンピューターを構築しようとしている。

「これらの結果は直ちに応用可能であり、この分野全体の状況を変える可能性がある。この結果は、この分野に別の道があることを示すものです。我々は、このアーキテクチャ、あるいはフラクソニウム量子ビットを使ったこのようなアーキテクチャが、実際に有用で耐障害性のある量子コンピュータを構築するという点で、大きな可能性を示していると強く信じています」と、Atlantic Quantum CEOのBharath Kannan氏は言う。

そのようなコンピュータが実現するのはまだ10年先のことだろうが、この研究は正しい方向への重要な一歩だと、研究者らは考えている。彼らは次に、2つ以上の量子ビットを接続したシステムで、FTFアーキテクチャーの利点を実証する予定である。

論文

Physical Review X: High-Fidelity, Frequency-Flexible Two-Qubit Fluxonium Gates with a Transmon Coupler

参考文献

MIT: New qubit circuit enables quantum operations with higher accuracy

研究の要旨

われわれは、トランスモン・カプラー（FTF：fluxonium-transmon-fluxonium）を媒介とするフラクソニウム・フラクソニウム2量子ビットゲートのアーキテクチャを提案し、実証する。フラクソニウム量子ビット間の直接結合にのみ依存するアーキテクチャと比較して、FTFは、非計算状態を用いたゲートにおいて、より強力な結合を可能にすると同時に、静的制御位相もつれ率（ZZ）をキロヘルツレベルまで抑制する。ここでは、磁束調整可能なトランスモン・カプラを用いてFTFを実装し、動作周波数を2GHzの範囲で調整可能なマイクロ波活性化制御Z（CZ）ゲートを実証する。この範囲では、多くのバイアス・ポイントにわたって最先端のCZゲートの忠実度が観測され、本研究で特性評価した2つのデバイスで再現された。動作周波数とゲート持続時間の両方を最適化した結果、99.85%～99.9%の範囲でピークCZ忠実度を達成した。最後に、パルスのパラメータをモデルなしで強化学習し、平均ゲート忠実度を99.922%±0.009%まで向上させました。ここで紹介するマイクロ波活性化CZゲート以外にも、FTFは、ゲート忠実度を向上させ、不要なZZ相互作用を受動的に減少させるために、他の様々なフラクソニウムゲートスキームに適用することができる。