新たな研究は、より効率的な誤り訂正への道筋を示しており、量子コンピューターやセンサーの実用化に役立つ可能性がある。
世界各地の研究室では、量子力学の原理に基づいて動作し、従来型のものを大きく上回る利点をもたらす可能性のある、新しいコンピューティング機器やセンシング機器の開発競争が進んでいる。しかし、こうした技術には依然としていくつかの課題があり、特に大きな課題の一つが「ノイズ」への対処だ。ノイズとは、機器内に保存されたデータを消し去りかねないランダムな揺らぎである。
MITの研究者が開発した新たなアプローチは、量子誤り訂正を大きく前進させる可能性がある。この方法では、考えられるあらゆる妨害要因を捉えようと広く網を張るのではなく、発生する可能性が最も高い種類のノイズに対処できるよう、システムをきめ細かく調整する。
この分析は、学術誌『Physical Review Letters』に掲載された論文で説明されている。著者は、MIT大学院生のデイビッド・レイデン、博士研究員のモー・チェン、原子力科学・工学教授のパオラ・カッペラロである。
「量子技術の開発で現在直面している主な問題は、既存のシステムが小規模でノイズが多いことです」とレイデンは言う。あらゆる種類の望ましくない妨害を意味するノイズは、量子システムの多くが本質的に非常に高い感度を持つため、とりわけ厄介だ。その感度は、量子システムの潜在的な用途の一部を支える特性でもある。
レイデンによると、もう一つの問題は、量子システムがあらゆる観測の影響を受けることだ。古典的なシステムなら、状態がずれていることを検知し、元に戻すための補正を加えられるが、量子の世界では事情がより複雑になる。「量子システムで本当に難しいのは、観測すると状態を収縮させてしまいがちなことです」と彼は言う。
古典的な誤り訂正方式は冗長性に基づいている。たとえば、ノイズの影響を受ける通信システムでは、単一のビット（1または0）を送る代わりに、それぞれを3つずつ複製して（111または000）送ることがある。3つのビットが一致しなければ、誤りがあったことがわかる。各ビットの複製を多く送るほど、誤り訂正の効果を高められる。
同じ基本原理を、量子ビット、つまり「キュービット」に冗長性を加えることにも適用できる。しかし、レイデンはこう述べる。「高い保護性能を得るには、こうしたチェックにシステムの大部分を割かなければなりません。現時点では実現が難しいのです。システムの規模がかなり小さく、従来の方法で特に有用な量子誤り訂正を行うためのリソースがないからです」。そこで研究者たちは、最も頻繁に発生する特定の種類のノイズに誤り訂正の対象を絞る方法を見つけた。
研究対象の量子システムは、ダイヤモンド結晶中の「窒素空孔中心」と呼ばれる特定の欠陥の近くにある炭素原子核で構成されている。こうした欠陥は、単独で孤立した電子のように振る舞い、その存在によって近くの炭素原子核を制御できる。
しかしチームは、これらの原子核に影響するノイズの圧倒的多数が、近くにある欠陥自体のランダムな揺らぎという、ただ一つの原因から生じていることを突き止めた。このノイズ源は正確にモデル化でき、その影響を抑えれば大きな効果が期待できる。他のノイズ源は比較的重要ではないためだ。
「こうしたシステムの主なノイズ源は、実際かなりよく理解できています」とレイデンは言う。「ですから、考えられるあらゆる種類のノイズを捉えようと、広く網を張る必要はありません。」
チームは、この特定の支配的なノイズ源に対抗するために調整した、別の誤り訂正戦略を考案した。レイデンの説明によると、ノイズは「中心にあるこの一つの欠陥、つまり中心の『電子』一つが、ランダムに飛び回る傾向を持つことから生じます。揺れ動くのです」。
その揺らぎは、予測可能な形で周囲の原子核すべてに伝わり、補正できる。
「このアプローチの要点は、他の方法なら必要になるリソースを大幅に減らしながら、一定の保護レベルを実現できることです」と彼は言う。「この対象を絞ったアプローチなら、はるかに小規模なシステムを使えます。」
これまでの研究は理論段階であり、チームはこの原理が実際に機能することを実験室で実証するため、積極的に取り組んでいる。期待どおりに機能すれば、さまざまな将来の量子技術を支える重要な要素になり得ると研究者たちは述べる。これには、これまで解けなかった問題を解決できる可能性のある量子コンピューター、盗聴を受けない量子通信システム、非常に高感度なセンサーシステムなどが含まれる。
「これは、さまざまな用途に使える要素です」とレイデンは言う。「エンジンの重要な部品を開発しているようなものです。完成した車を作るまでにはまだ時間がかかりますが、重要な部品の開発は進みました。」
「量子誤り訂正は、この分野にとって次の課題です」と、この研究に関与していないカナダのシェルブルック大学で物理学教授を務めるアレクサンドル・ブレは述べる。「ただし、現在の量子誤り訂正符号は非常に複雑で、量子情報を確実に符号化するために膨大な数のキュービットを必要とするため、その複雑さは気が遠くなるほどです。」
ブレはさらにこう述べる。「量子誤り訂正を実装するデバイスについての理解を活用することが、非常に有利になり得ると、私たちは今や認識するようになりました。この研究は、よく見られる種類の誤りを予想以上に効率よく訂正できることを示し、この方向に重要な貢献をしています。量子コンピューターを実用化するには、このようなアイデアがさらに必要です。」
この研究は、米国陸軍研究局と米国国立科学財団の支援を受けた。
