Google、量子コンピュータの“魔法状態”生成を実機で効率化エラーを40分の1に

　米Googleの量子コンピューティング部門Google Quantum AIは10月15日（現地時間）、量子コンピュータの実用化に向けた大きなボトルネックとされてきた「魔法状態」（magic state）の生成について、同社が提案した手法“魔法状態栽培”（magic state cultivation）を実機で実証したと発表した。

量子チップ「Willow」（画像：Google）

　同社の量子プロセッサ「Willow」上で、栽培しない場合と比べてエラーを約40分の1に減らせたという。成果は同日、米科学誌「Science」に掲載された。　量子コンピュータが従来型コンピュータ（古典コンピュータ）を超える計算を実行するには、特定の量子演算を誤り訂正しながら実行できる必要がある。その手段として使われるのが、魔法状態と呼ばれる特殊な量子状態だ。ただし、高品質な魔法状態を作るには膨大なリソースが必要で、量子コンピュータの能力の最大95％をその生成に割く必要があるとの試算もある。さらに、魔法状態は一度使うと再利用できないため、計算中に作り続けなければならない。研究者らは約20年にわたり、このコストの削減に取り組んできた。　従来の“魔法状態蒸留”と呼ばれる手法は、ノイズを含む多数の魔法状態から高品質なものを精製するため、多くの量子ビットと時間を消費する。これに対し、Google Quantum AIの研究者らが2024年に理論として発表した魔法状態栽培は、量子チップ上の小さな領域にノイズを含んだ状態を注入し、エラーの有無を確かめる測定を繰り返して失敗した試行を捨てることで、エラーの少ない状態を“育てる”仕組み。フィルタのように働くことで、実用的な計算に必要な量子コンピュータの規模を大幅に小さくできる可能性があるという。　今回の実験では、栽培で得た魔法状態の忠実度（目標とする状態との一致度）が少なくとも99.99％に達し、同社はこれを過去最高としている。なお、エラーチェックを通過して残ったのは試行全体の約8％だった。　実証の過程では、物理法則に反するように見える測定データが得られる問題に直面した。原因は、電子機器の特性が時間とともに少しずつずれることや温度変化によって生じるノイズで、従来の評価手法の前提が成り立たなくなっていたことにある。チームはノイズの影響を抑える制御を加えるとともに、栽培そのものを測定に使う新たな評価手法を開発して対応した。　また、栽培に適した「カラー符号」と呼ばれる誤り訂正方式で作った状態を、より確立された方式である「表面符号」のより大きな領域へ移す“接ぎ木”（grafting）にも成功した。栽培が同社の量子コンピュータの設計と両立することを示す第一歩だとしている。

　Googleは、実用化にはより大規模な実証が必要で、技術的な課題も多く残っているとした上で、今回の成果は理論上のアイデアを実験で実現したものであり、誤り訂正可能な実用的量子コンピュータの実現に一歩近づいたとしている。