ダイナミカルデカップリング：量子コンピュータ性能を飛躍的に向上させるブレイクスルー

• 量子コンピューティング性能を改善する理論的手法を設計
• ダイナミカルデカップリングと呼ばれるこの手法は、2つの小規模量子コンピュータで機能
• エンコーディングオーバーヘッドを必要とせず、量子ゲートをデカップリングパルスに変換することで動作

量子コンピューティングの概念は1980年代初頭に導入されました。アイデアは、バイナリビットの代わりに量子ビット（重ね合わせ状態を取れるキュービット）を使用して、安全かつ極めて高速に計算を実行することです。

30年経った今でも、量子コンピューティング分野はまだ初期段階です。少数のキュービットで量子計算が実行されたテストは数百件行われています。

量子コンピュータは今日のスーパーコンピュータより数百万倍高速になると期待されており、金融、防衛、情報技術、医療産業に革命をもたらす可能性があります。原子の振る舞いを利用して、信じられないほど複雑なタスクを極めて高速に実行します。

しかし、いくつかの制限があります。エラーが発生しやすく、操作を維持するために安定性が必要です。通常、正常に機能せず、悪い結果を生み出します。世界中の研究者たちは、従来のコンピュータをいずれのタスクでも上回る量子マシンを達成できていません。

現在の量子コンピュータの主な問題は「ノイズ」です。振動、温度、音によって引き起こされる擾乱です。これはデコヒーレンスを生成し、量子状態の持続時間を妨害することでキュービットを不安定にします。これにより、量子マシンがエラーなしで正確にタスクを実行できる時間が短くなります。

デコヒーレンスが多すぎる量子マシンは無用です。この問題を解決できれば、量子コンピューティングが実用的になり、従来のコンピュータより生産的になる地点に到達できます。

最近、南カリフォルニア大学の研究者たちが、量子コンピューティング性能を改善する理論的手法を明らかにしました。これは、誤った計算を最小限に抑えながら結果の忠実度を高めることで、現在の量子コンピュータの弱点に対処します。この手法はダイナミカルデカップリング（DD）と呼ばれ、2つの量子コンピュータで機能しました。

DDは、システムに適用されるパルスを通じてデコヒーレンスを抑制するように開発されました。これは、時間依存摂動理論の与えられた次数でシステムと環境の相互作用をキャンセルします。全体として、エンコーディングオーバーヘッドを必要とせず、量子ゲートをデカップリングパルスに変換することで動作します。

参照: Physical Review Letters | doi:10.1103/PhysRevLett.121.220502 | USC

これらのテストの時間シーケンスは非常に小さく、0.6マイクロ秒以内に200パルスが記録されました。

今日の量子マシンへのダイナミカルデカップリング適用

研究者たちはDDを2つの量子コンピュータ（IBMの16量子ビットQX5とRigettiの19量子ビットAcorn）でテストし、他の手法より簡単で信頼性が高いことを発見しました。既存の小規模クラウドベース量子コンピュータへの実装に適しています。

8量子ビット量子プロセッサ | Image credit: Rigetti Computing

この手法は、エンタングルされた2量子ビット状態をある程度保護できます。異なるダイナミカルデカップリングシーケンスは、脱相転移と自発放出エラーの両方を軽減できます。以前の研究とは異なり、量子誤り訂正コードを使用しなかったため、自然デコヒーレンスに対する忠実度で例外的な改善を達成しました。

IBMのQX5の最終忠実度は28.9%から88.4%に跳ね上がり、RigettiのAcornでは59.8%から77.1%に改善しました。研究者たちはまた、パルスを増やすとRigetti量子コンピュータでは忠実度改善がより長く持続する一方、IBMコンピュータでは約100パルスの限界があることも発見しました。

全体として、この研究はダイナミカルデカップリングメカニズムが既存の量子誤り訂正技術よりはるかに優れていることを示しています。