はじめに

本記事は、QuEra,Harvard,MITの論文「Experimental Demonstration of Logical Magic State Distillation」の概要と専門用語の解説です。

概要

量子情報科学における主要な目標の一つは、普遍的なフォールトトレラント量子計算の実現です。量子誤り訂正コードを用いて量子情報を論理的な量子ビットに符号化することで、物理的なエラーを検出・訂正し、論理的エラー率を大幅に低減できます。しかし、符号化された量子ビットで容易に実装できる論理操作のセットは制約されることが多く、普遍的で古典的に困難な回路を実装するには「マジック状態」と呼ばれる特別なリソース状態が必要です。

高忠実度のマジック状態を準備する主要な方法の一つが「Distillation」であり、複数の低忠実度の入力からこれらを生成します。本研究では、中性原子量子コンピュータ上で論理的量子ビットを用いたマジック状態Distillationの実験的実証を行いました。動的に再構成可能なアーキテクチャを活用し、多数の論理的量子ビットを並列に符号化し、量子操作を実行しました。d=3およびd=5のカラーコードに符号化されたマジック状態のDistillationを実証し、入力された論理的マジック状態と比較して出力の論理的忠実度が向上することを確認しました。これらの実験は、普遍的なフォールトトレラント量子計算の重要な構成要素を示しており、大規模な論理的量子プロセッサへの重要な一歩を意味します。

用語の解説

フォールトトレラント量子計算: エラーが発生しても計算結果に影響を与えないよう、エラー検出と訂正を組み込んだ量子計算の手法。
量子誤り訂正コード: 量子情報を保護するために、量子ビットを冗長に符号化し、エラーを検出・訂正する技術。
マジック状態: 普遍的な量子計算を実現するために必要な特別なリソース状態で、これを用いることで古典的に困難な計算を可能にする。
Distillation: 複数の低忠実度の量子状態から高忠実度の量子状態を生成するプロセス。
カラーコード: 量子誤り訂正の一種で、2次元の格子上に量子ビットを配置し、特定のパターンでエラーを検出・訂正する方法。

主要な図