イェール大学の量子力学研究者が「エラーを修正する猫」を作る

イェール大学の研究チームは、有用な量子コンピュータに必要な物理学を習得し、操作するための努力におけるの最新のブレークスルーを発表した。それは、タスクを実行している間に、量子ビットと呼ばれる量子情報の壊れやすいビット間で発生するエラーの流れを修正することだ。

イェール大学の量子力学研究者が「エラーを修正する猫」を作る

シュレーディンガーの猫の概念である重ね合わせ(2つの状態が同時に存在する物理システム)と、量子計算における最も厄介なエラーを修正する能力を組み合わせた新しいデバイスが登場した。

イェール大学の研究チームは、有用な量子コンピュータに必要な物理学を習得し、操作するための努力におけるの最新のブレークスルーを発表した。それは、タスクを実行している間に、量子ビットと呼ばれる量子情報の壊れやすいビット間で発生するエラーの流れを修正することだ。

この発見を報告する新しい研究は、ネイチャー誌に掲載されている。主著者は、イェール大学の応用物理学・物理学教授のMichel Devoretである。この研究の共同執筆者は、Devoretの研究室の元ポスドクで、現在はスイスのポール・シェラー研究所のテニュアトラック科学者であるAlexander Grimmと、Devoretの研究室の大学院生であるNicholas Frattiniである。

量子コンピュータは、今日のスーパーコンピュータよりも桁違いに速い計算を可能にし、医薬品から金融サービスまで、さまざまな産業を変革する可能性を秘めている。

イェール大学の量子コンピューター構築へのアプローチは、「回路QED」と呼ばれ、超伝導マイクロ波共振器内のマイクロ波光の粒子を使用している。

従来のコンピュータでは、情報は0か1のどちらかで符号化されている。計算中に発生する唯一のエラーは、情報のビットが誤って0から1に反転したり、その逆になったりする「ビット反転」だ。これを修正するには、3つの「物理的な」情報ビットを使用して、1つの「有効な」(正確な)ビットを確保する冗長性を構築する。

対照的に、量子情報ビットである量子ビットは、ビット反転と「位相反転」の両方の影響を受けている。

これまで、量子研究者は、より大きな冗長性を追加することでエラーを修正しようとしてきたが、各有効な量子ビットに対して豊富な物理的量子ビットを必要としていた。シュレーディンガーの猫にちなんで名付けられた「cat qubit」(猫の量子ビット)は、重ね合わせの概念を説明するために使用される有名なパラドックスだ。

この思考実験は、猫を放射性物質と毒薬の入った密閉された箱の中に入れ、放射性物質の原子が崩壊すると毒薬が発動するというものだ。量子物理学の重ね合わせ理論では、誰かが箱を開けるまで猫は生きていても死んでいても、状態が重なっていると考えられている。箱を開けて猫を観察すると、猫は突然量子状態をランダムに変化させ、生きているか死んでいるかのどちらかの状態になってしまう。

1つの有効な量子ビットを維持するために必要な複数の物理量子ビットとは異なり、1つの猫の量子ビットはそれ自体で位相反転を防ぐことができる。量子ビットは、1つの電子回路内の2つの状態の重ね合わせに有効なビットを符号化します。

論文によると、研究者らは、命令に応じて、自分たちの猫の量子ビットを、その重ね合わせ状態のいずれか1つから他の重ね合わせ状態に変えることができるという。さらに、研究者たちは、量子ビットにエンコードされた情報を読み出す、つまり識別する新しい方法を開発した。

「これにより、私たちが開発したシステムは、超伝導回路を用いた量子計算の多くの側面での利用が期待される、汎用性の高い新しい要素になった」と論文は記述している。

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