FrontJournalの解説
この研究分野について
量子コンピュータは、0と1の重ね合わせ状態を使って計算する装置です。重ね合わせ状態は周囲の環境や操作の不完全さの影響を受けやすく、計算中に誤りが生じやすいという弱点があります。そこで、1個の情報を複数の「物理量子ビット」（装置に実装された個々の量子ビット）に分散して記録し、誤りを検出・訂正する「量子誤り訂正」が欠かせません。誤りから保護された情報の単位を「論理量子ビット」と呼びます。
現在有力な方式は「表面符号」（物理量子ビットを平面上に並べる誤り訂正符号）です。Nature誌に掲載された研究では、超伝導プロセッサー「Willow」の実験で、符号距離（誤り訂正の強さを表す数値）を2増やすごとに論理誤り率が約2.14分の1に抑えられました。一方で、1個の論理量子ビットを守るのに多数の物理量子ビットを要するため、大規模化には膨大な数の物理量子ビットが必要です。
この課題への対策として、多数の論理量子ビットをまとめて符号化する「高レート量子符号」が注目されています。符号化率（n個の物理量子ビットでk個の論理量子ビットを符号化するときの比k/n）が高いほど、少ない物理量子ビットで多くの情報を守れます。
①6個の情報を30個の量子ビットで守る符号に着目
「理化学研究所」の研究チームが着目した「シンプレクティック・ダブル符号」は、6個の論理量子ビットを30個の物理量子ビットで符号化するため、符号化率は6/30＝20%です。理研によると、同程度の誤り訂正能力を持つ表面符号の符号化率は4%です。符号化率20%の他の高レート量子符号は大抵100個以上の物理量子ビットを必要とするのに対し、この符号は30個で実現できます。
高レート量子符号には、実際の計算に使うと多数の補助的な物理量子ビットや複雑な誤り検出回路が必要になり、省リソースという利点が損なわれる課題がありました。研究チームは、この符号を少ない物理量子ビットと量子ゲート数で準備する符号化法の開発に取り組みました。
②誤り検出法の拡張で物理量子ビットを半分以下に
研究チームは、全ての論理量子ビットをプラス状態（0と1を同じ確率で重ね合わせた基本状態）に準備する符号化回路で、CNOTゲート（一方の量子ビットの状態に応じて他方を反転させる基本ゲート）の数を108個から67個へ減らしました。さらに、後藤隼人チームディレクターが「スティーン符号」（1個の論理量子ビットを7個の物理量子ビットで符号化する代表的な符号）のために開発した効率的な誤り検出法を、「シンプレクティック・ダブル符号」へ拡張しました。これにより、符号化中に生じる致命的な誤りを、従来より少ない物理量子ビットで検出できます。
数値シミュレーションでは、論理CNOTゲートの誤り率が、6個の論理プラス状態のコピーを用いる従来手法と同程度に低いまま、必要な物理量子ビットの総数を半分以下にできました。6個の論理量子ビットを任意の状態に準備する方法も考案しており、この符号に対する任意の量子ゲート操作が可能になります。
FrontJournalからのひとこと
量子コンピュータの大規模化では、誤り訂正に回す物理量子ビットの数が装置の規模を左右します。今回の符号化法は、同じ規模のハードウェアで扱える論理量子ビットを増やす方向の工夫で、表面符号に続く選択肢として高レート量子符号の使い道を広げます。この研究が助成を受けるJSTのムーンショット目標6は、2050年までの誤り耐性型汎用量子コンピュータの実現を掲げており、符号化の工夫もその実現を支える一部です。
FrontJournal編集部
本記事は、FrontJournalが公開情報をもとに独自に分析した第三者コンテンツであり、対象企業・研究機関の公式見解ではありません。
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