25 年 2023 月 XNUMX 日 — MIT の研究者らは、量子ビット間の演算をより高い精度で実行できる新しい超伝導量子ビット アーキテクチャを実証し、量子コンピューターの商用利用の障害である誤り訂正に対処したと報告しています。
研究者らは、フルクソニウムとして知られる比較的新しいタイプの超伝導量子ビットを利用した。この超伝導量子ビットは、より一般的に使用されている超伝導量子ビットよりも長い寿命を持つことができる。 量子コンピューティングの約束を実現するには、量子バージョンの誤り訂正コードが、計算エラーが発生するよりも早く対処できなければなりません。 しかし、今日の量子コンピューターは、商業的に適切な規模でこのようなエラー訂正を実現できるほど堅牢ではありません。
MIT の研究者が使用するアーキテクチャには、XNUMX つのフルクソニウム量子ビット間の特別な結合要素が含まれており、これによりゲートと呼ばれる論理演算を高精度に実行できるようになります。 これは、量子操作にエラーを引き起こす可能性がある一種の望ましくないバックグラウンド インタラクションを抑制します。
このアプローチにより、99.9 パーセントを超える精度の 99.99 量子ビット ゲートと、XNUMX パーセントの精度の単一量子ビット ゲートが可能になりました。 さらに、研究者らは、拡張可能な製造プロセスを使用して、このアーキテクチャをチップ上に実装しました。
「大規模な量子コンピューターの構築は、堅牢な量子ビットとゲートから始まります。 私たちは、非常に有望な 23 量子ビット システムを示し、スケーリングにおけるその多くの利点を説明しました。 私たちの次のステップは量子ビットの数を増やすことです」と工学量子システム (EQuS) グループの物理大学院生であり、このアーキテクチャに関する論文の主著者である Leon Ding PhD 'XNUMX は言います。
ディン氏はEQuS博士研究員のマックス・ヘイズ氏と共同で論文を執筆した。 ソン・ヨンギュ博士 '22; Bharath Kannan PhD '22、現在 Atlantic Quantum の CEO。 MITリンカーン研究所のスタッフサイエンティスト兼チームリーダー、Kyle Serniak氏。 そして主著者であるウィリアム・D・オリバー氏は、ヘンリー・エリス・ウォーレン電気工学、コンピューターサイエンス、物理学教授、量子工学センター所長、EQuSリーダー、エレクトロニクス研究所副所長である。 MIT や MIT リンカーン研究所の他の人々も同様です。 この研究は本日、 フィジカルレビューX.
Fluxonium Qubit の新たな解釈
古典的なコンピューターでは、ゲートは計算を可能にするビット (一連の 1 と 0) に対して実行される論理演算です。 ゲートイン 量子コンピューティング も同様に考えることができます。単一量子ビット ゲートは XNUMX 量子ビットに対する論理演算ですが、XNUMX 量子ビット ゲートは、接続された XNUMX つの量子ビットの状態に依存する演算です。
忠実度は、これらのゲートで実行される量子操作の精度を測定します。 量子エラーは指数関数的に蓄積するため、可能な限り高い忠実度を備えたゲートが不可欠です。 大規模システムでは何十億もの量子操作が発生するため、一見少量のエラーがすぐにシステム全体の障害を引き起こす可能性があります。
実際には、このような低い誤り率を達成するには誤り訂正符号が使用されます。 ただし、これらのコードを実装するには、操作が超える必要がある「忠実度のしきい値」があります。 さらに、このしきい値をはるかに超えて忠実度を高めると、エラー訂正コードの実装に必要なオーバーヘッドが削減されます。
XNUMX 年以上にわたり、研究者たちは量子コンピューターを構築する取り組みにおいて主にトランスモン量子ビットを使用してきました。 フルクソニウム量子ビットとして知られる別のタイプの超伝導量子ビットは、より最近に誕生しました。 フルクソニウム量子ビットは、トランスモン量子ビットよりも寿命、つまりコヒーレンス時間が長いことがわかっています。
コヒーレンス時間は、量子ビット内のすべての情報が失われるまでに、量子ビットが演算またはアルゴリズムを実行できる時間を測定します。
「量子ビットの寿命が長ければ長いほど、量子ビットが推進する操作の忠実度は高くなります。 これら XNUMX つの数字は結び付けられています。 しかし、フルクソニウム量子ビット自体が非常にうまく機能するとしても、それらに対して適切なゲートを実行できるかどうかは不明です」とディン氏は言う。
Ding と彼の共同研究者らは、非常に堅牢で忠実度の高いゲートをサポートできるアーキテクチャでこれらの長寿命量子ビットを使用する方法を初めて発見しました。 彼らのアーキテクチャでは、フルクソニウム量子ビットは、従来のトランスモン量子ビットよりも約 10 倍長い、XNUMX ミリ秒を超えるコヒーレンス時間を達成することができました。
「ここ数年、フルクソニウムが単一量子ビットレベルでトランスモンを上回る性能を示すことがいくつか実証されてきました」とヘイズ氏は言う。 「私たちの研究は、このパフォーマンス向上が量子ビット間の相互作用にも拡張できることを示しています。」
フルクソニウム量子ビットは、拡張可能な超伝導量子ビット技術の設計と製造の専門知識を持つマサチューセッツ工科大学リンカーン研究所 (MIT-LL) との緊密な協力のもとに開発されました。
「この実験は、私たちが『ワンチームモデル』と呼んでいるもの、つまりEQuSグループとMIT-LLの超伝導量子ビットチームとの緊密な連携の模範的なものでした」とサーニアック氏は言う。 「ここで特に MIT-LL の製造チームの貢献を強調する価値があります。彼らは特にフラクソニウムやその他の新しい量子ビット回路のために 100 個を超えるジョセフソン接合の高密度アレイを構築する能力を開発しました。」
より強いつながり
彼らの新しいアーキテクチャには、両端に XNUMX つのフルクソニウム量子ビットを備え、中央にそれらを結合する調整可能なトランスモン カプラを備えた回路が含まれています。 このフルクソニウム-トランスモン-フルクソニウム (FTF) アーキテクチャにより、XNUMX つのフルクソニウム量子ビットを直接接続する方法よりも強力な結合が可能になります。
FTF は、量子操作中にバックグラウンドで発生する不要な相互作用も最小限に抑えます。 通常、量子ビット間の結合が強くなると、静的 ZZ 相互作用として知られる、この持続的なバックグラウンド ノイズがさらに多くなる可能性があります。 しかし、FTF アーキテクチャはこの問題を解決します。
これらの望ましくない相互作用を抑制する能力とフルクソニウム量子ビットのより長いコヒーレンス時間は、研究者が 99.99 パーセントの単一量子ビットのゲート忠実度および 99.9 パーセントの XNUMX 量子ビットのゲート忠実度を実証することを可能にした XNUMX つの要因です。
これらのゲート忠実度は、特定の一般的な誤り訂正符号に必要なしきい値をはるかに上回っており、大規模システムでの誤り検出が可能になるはずです。
「量子エラー訂正は、冗長性を通じてシステムの回復力を構築します。 量子ビットが個々に「十分に良好」であれば、量子ビットを追加することでシステム全体のパフォーマンスを向上させることができます。 幼稚園児でいっぱいの部屋で課題を実行しようとすることを考えてください。 それはかなりの混乱であり、幼稚園児を増やしても状況は改善されません」とオリバーは説明します。 「しかし、成熟した大学院生が何人か協力して取り組むことで、その個人を超えるパフォーマンスが得られる、それが閾値の概念です。 拡張可能な量子コンピューターを構築するにはやるべきことがまだたくさんありますが、それは閾値をはるかに上回る高品質の量子操作を実現することから始まります。」
これらの成果を基に、ディン、サン、カンナン、オリバーらは最近、量子コンピューティングのスタートアップ企業を設立しました。 アトランティック・クォンタム。 同社は、フルクソニウム量子ビットを使用して、商業および産業用途向けの実行可能な量子コンピューターを構築しようとしています。
「これらの結果はすぐに適用でき、分野全体の状態を変える可能性があります。 これは、コミュニティに別の道があることを示しています。 私たちは、このアーキテクチャ、またはフルクソニウム量子ビットを使用したこのようなものは、有用でフォールトトレラントな量子コンピューターを実際に構築するという点で大きな可能性を秘めていると強く信じています」とカンナン氏は言います。
このようなコンピューターが実現されるのはおそらく 10 年先ですが、この研究は正しい方向への重要な一歩である、と彼は付け加えました。 次に研究者らは、XNUMX つ以上の量子ビットが接続されたシステムにおける FTF アーキテクチャの利点を実証する予定です。
この研究の資金の一部は、米国陸軍研究局、研究工学担当国防次官、IBM PhD フェローシップ、韓国先端研究財団、および国防科学技術大学院フェローシップ プログラムによって提供されました。
出典: これは、Adam Zewe による記事の改訂版です。 MIT News
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- 情報源: https://insidehpc.com/2023/09/mit-qubit-architecture-achieves-progress-on-quantum-error-correction/
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