量子コンピュータが使いやすくなって活躍の場が増える

・研究者が、量子コンピュータの性能を向上させるための理論的な方法を設計しました。

・この方法はダイナミカルデカップリングと呼ばれ、2台の小規模な量子コンピュータで動作します。

・符号化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。

量子コンピュータの概念は、1980年代前半に確立されました。2進数ビットの代わりに量子ビット（重ね合わせた状態にできる量子ビット）を使って、安全かつ超高速で計算を行うというものです。

それから30年、量子コンピュータの分野はまだ発展途上にあります。その間、少数の量子ビットで量子計算を実行するテストは何百回も行われています。

量子コンピューターは、現在のスーパーコンピューターの数百万倍の速度が期待されており、金融、防衛、情報技術、医療産業などに革命をもたらす可能性があります。原子の動きを利用して、信じられないほど複雑なタスクを超高速で実行できます。

しかし、課題がいくつかあります。エラーになりやすく、動きを維持するためには安定性が必要です。通常、量子力学は正しく機能せず、悪い結果をもたらします。世界中の研究者が、あらゆるタスクを使っても、従来のコンピュータを超える量子マシンを発明できていません。

現在の量子コンピュータで最大の問題は、振動、温度、音によって引き起こされる「ノイズ」です。これはデコヒーレンスを発生させ、量子状態の持続時間が乱れることで量子ビットが不安定になる可能性があります。これにより、量子マシンがタスクを正確に実行できる（エラーが発生しない）時間が短くなります。

デコヒーレンスが強すぎる量子マシンは使いにくいです。この問題を解決できれば、量子コンピュータが実用的になり、従来のコンピュータよりも生産性が高くなるところまで到達することができます。

近年、南カリフォルニア大学の研究者は、量子コンピュータの性能を向上させる理論的な方法を発表しました。この方法は、現在の量子コンピュータの弱点である計算ミスを最小限に抑え、結果の忠実度を高めます。この方法はDynamical Decoupling (DD)と呼ばれ、2台の量子コンピュータで動作しました。

DDは、時間依存摂動理論において、システムと環境との相互作用を所定のオーダーまでキャンセルするパルスをシステムに印加することで、デコヒーレンスを抑制するために開発されました。全体として、符号化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機能します。

これらのテストは時間配列が非常に小さく、0.6マイクロ秒以内に200パルス記録されました。

既存の量子マシンにダイナミックデカップリングを適用する

研究者は、IBMの16量子ビットのQX5とRigettiの19量子ビットのAcornという2つの量子コンピュータでDDをテストし、他の方法よりも簡単で信頼できることを発見しました。既存の小規模なクラウドベースの量子コンピュータに適しています。

8量子ビット量子プロセッサー |画像元: Rigetti Computing

この方法で、もつれた2量子ビット状態をある程度まで保護することができます。動的デカップリングの異なるシーケンスにより、デフェージングと自然放出エラーの両方を緩和することができます。これまでの研究とは異なり、量子エラー訂正符号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の例外的な向上を達成しました。

IBM製QX5の最終的な精度は28.9%から88.4%に、リゲッティのAcronは59.8%から77.1%に向上しました。また、IBMの量子コンピュータでは約100パルスが限界だったのに対し、リゲッティの量子コンピュータでは、プラスを増やすことでより長い時間精度を向上させることができました。

全体として、動的デカップリングメカニズムは、既存の量子エラー訂正技術よりもはるかに優れた効果を発揮することがわかりました。