[English follows Japanese]
FTQC（Fault Tolerant Quantum Computer/誤り耐性量子コンピュータ）の実現は、エンドユーザーが活用できるようなアプリケーション機能を提供する必要があり、実現に至るまで多くの段階を踏まなければならない。しかし、Quantinuum（クォンティニュアム）とマイクロソフトのチームは、最新の研究によってFTQC実現に向けて一歩前進した。
概要
基本的な量子エラー訂正は、エラーを起こしやすい物理量子ビットを符号化方式でグループ化し、エラー率が大幅に減少する論理量子ビットを形成することによる。そしてより高度なスキームでは、符号化率が向上する。エラー訂正がどれだけ効果的であったかを示す重要な指標は、結果として生じる物理回路のエラー率と論理回路のエラー率の峻別である。 そしてQuantinuumとマイクロソフトは最新の研究で最大800倍のエラー率の改善を達成した。
特に、チームはQuantinuumのH2プロセッサー上で30個の物理量子ビットから4個の論理量子ビットを生成する回路を作成した。この回路により、回路の物理エラー率が0.008（8×10-3）から0.00001（1×10-5）へと800倍改善された。もちろん、良好な物理エラー率から始めることは有効であり、QuantinuumのH2マシンはこの点で現在入手可能な最高レベルのものの一つである。しかし、それでもなお、10-5のエラー率は、マイクロソフトの目標である10-8以上のエラー率で真に有用な量子/古典ハイブリッドシステムにはまだ程遠いことを思い知らされる状況である。このレベルのエラー率を達成するには、物理量子ビットのエラー率を改善し続けるとともに、論理量子ビットあたりの物理量子ビット数を増やしてコードワード間の距離を大きくする必要がある。
技術的詳細
技術的な詳細としては、研究チームはこの結果を得るために2つの異なるコードで実験を行った。1つ目はよく知られたSteaneコードで[[7,1,3]]の特性を持ち、2つ目はカーボンコードと呼ばれるCSSコードのバージョンで[[12,2,4]]の特性を持つ（この表記では最初の数字は物理量子ビットの数、2番目は論理量子ビットの数、最後はコードワード間の距離を表す）。コードワードの距離が大きければ大きいほど、エラーからの保護が向上する)。エラー率10-5のおかげで、チームは14,000回以上の実験をエラーなしで行うことができた。また、カーボンコードで繰り返しエラー訂正を実証することもできた。マイクロソフトは、レジリエント量子コンピューティングの基準を定義しており、今回の研究成果によって、彼らがレベル2と呼ぶレジリエント量子コンピューティングの世界の入り口に立ったことになる。
しかし、この結果を普遍的なものにするためには、さらなる改良が必要である。さらに、規模を拡大するためにレベル3に移行する必要があり、これがマイクロソフトらの研究の長期的な目標になるだろう。FTQC（誤り耐性量子コンピュータ）を試してみたいという顧客のために、マイクロソフトはAzure Quantum Elementsの顧客向けに、これらの論理量子ビットを近々プライベート・プレビューで利用できるようにする予定であることを明らかにしている。しかし、利用可能な量子ビットはほんの一握りで、アプリケーションは限られたものにとどまるだろう。
次のステップ
上記で示したように、この研究は量子エラー訂正の新たなマイルストーンとなるが、最終的なゴールにはまだ遠い。当面の課題は、より論理的な量子ビットを提供するために、このアプローチをどのように実装できるかを示すことである。Quantinuum社は、H2プロセッサを拡張して物理量子ビットを50個までサポートする予定であることを明らかにしている。
また、あらゆる量子アルゴリズムを実行するのに必要なすべてのゲートタイプを提供できる汎用量子コンピュータをサポートできることを示す必要がある。この研究ではクリフォード群のゲートしか使っていないが、Tゲートやトフォリゲートのような非クリフォードゲートもサポートする必要がある。そのためには、マジック・ステート・ファクトリーと呼ばれる回路を作り、非クリフォード・ゲートを実装する必要がある。これらのマジック・ステート・ファクトリーには、さらに多くの量子ビットが必要になる。
H2プロセッサーは、回路途中での測定とフィードフォワード機能をサポートすることができる。この実験ではフィード・フォワードを利用していないが、このようなシステムはリアルタイムで訂正を行うため、最終的にはフィード・フォワードが必要になるだろう。
Quantinuum の次世代Heliosプロセッサは2025年にオンラインになり、およそ90個の物理量子ビットを持ち、物理量子ビットの忠実度がさらに向上すると予想される。Heliosプロセッサーは、商用QCCDデバイスで初めて、同社が最近APS会議で説明した2D表面電極トラップの一部としてX接合を導入する。同社は、このマシンで10個以上の論理量子ビットを持つことができると期待しており、現在の線形トポロジーから2次元または3次元に移行することで、さらなるスケーリングの道筋を提供することになる。
マイクロソフトはトポロジーに基づく量子ビットの研究を続けており、量子ビットのエラー率、ゲート速度、物理的サイズの小ささにおいて、将来的に優位性を発揮する可能性がある。(マイクロソフト社のトポロジカル量子ビットの研究については、QCRが以前に掲載した記事を参照されたい。）
アメリカGQI社による見立て
今回の発表を要約すると、GQIは、FTQCはまだすぐには来ないが、800倍という驚くべき数字を見たのは初めてだと考えている。
Quantinuum H2ハードウェアは、現在入手可能な最も忠実度の高い真の商用量子キットである。Quantinuumは、その量子ロードマップを一貫して実現しており、今回のブレークスルーがこのシステムを使って達成されたことは驚きではない。彼らの次世代Heliosアーキテクチャは、スケールアップ計画に継続的な活力を与えることが期待される。
マイクロソフトにとって、量子の主な取り組みは、トポロジカル量子ビット、量子ネットワーキング、プログラミング・フレームワーク、量子化学ソフトウェアなど、多岐にわたるように見えるかもしれない。しかし、専門家たちは、量子エラー訂正のノウハウという共通項が、これらすべての背後に流れていると見るだろう。
追加情報
Quantinuumのプレスリリース（英語）
Quantinuumのブログ記事（英語）
マイクロソフトはこの研究に関して、2つのブログを公開している。
また、マイクロソフトが制作した短いビデオはこちらで見ることができる。
そして最後に、この研究の詳細を記述した技術論文はこちら。https://s7d9.scene7.com/is/content/quantum/LQ_ErrorCorrectionpdf
まもなくarXivに投稿される予定である。
= = = = = =
Quantinuum and Microsoft Reach New Milestone for Fault Tolerant Quantum Computing
The race to achieve fault tolerant quantum computing (FTQC) will need many steps in order to cross the goal line and provide a usable capability so that end users can take advantage of it for their applications. But Quantinuum and Microsoft have moved the ball further downfield with their latest experiment.
Overview
Basic quantum error correction groups together a bunch of error prone physical qubits with a coding scheme to form a logical qubit that shows a greatly decreased error rate. More advanced schemes increase the rate of encoding. A key metric that shows how effective the error correction has been is the separation between resulting physical and logical circuit error rates. And in this latest demonstration, Quantinuum and Microsoft have achieved an improvement of up to 800X.
In particular, the team has created a circuit that creates four logical qubits from 30 physical qubits on Quantinuum’s H2 processor. This circuit reduces a physical error rate for the circuit from 0.008 (8×10-3) to 0.00001 (1×10-5) for the 800X improvement. Of course, it helps to start with a good physical error rate and Quantinuum’s H2 machine is the best available today in this regard. But still, we should remind everyone that a 10-5 error rate is still far away from Microsoft’s goal of 10-8 or better error rate for a hybrid quantum/classical system that would be truly useful. This level of error rate will need to be achieved through continued improvement in the physical qubit error rate as well as larger codes that use a higher number of physical qubits per logical qubit to provide a greater distance between codewords.
Technical Details
The technical details are that the team experimented with two different codes to achieve this result. The first is the well-known Steane code which has characteristics [[7,1,3]] while the second one is a version of a CSS code they call the Carbon code and has characteristics [[12,2,4]]. (In this notation the first number represents the number of physical qubits, the second is the number of logical qubits, and the first is the distance between codewords. The greater the codeword distance the better the protection against errors.) The 10-5 error rate allowed the team to run over 14,000 experiments without error. They were also able to demonstrate repeated error correction with the Carbon code. Microsoft has defined Criteria for Resilient Quantum Computation and this advance moves them into the starting gate of what they call Level 2 resilient quantum computing. However, further refinements are necessary to make this resilience flexible and universal. Further they will still need to move to Level 3 to provide scale and this will be the long term objective of their research. For customers wishing to try out fault tolerant quantum computing, Microsoft has indicated that they will make these logical qubits available soon for private preview to Azure Quantum Elements customers. Though with only a handful of qubits available applications will remain limited.
Next Steps
As we’ve indicated above, this work represents a new milestone for quantum error correction, but it is still far from the ultimate goal. The most immediate work should be to show how this approach can be implemented to provide more logical qubits. Quantinuum has indicated they will be expanding their H2 processor to support up to 50 physical qubits so perhaps they will be able to support a few more logical qubits when this occurs.
Also, they will need to show they can support a universal quantum computer that can provide all the gate types necessary to be able to run any quantum algorithm. This research only used gates from the Clifford group, but they will need to also have support for non-Clifford gates like the T-gate or a Toffoli-gate. To do this, the team will need to build circuits known as magic state factories in order to implement those non-Clifford gates. These magic state factories will also require more qubits.
The H2 processor can support mid-circuit measure and feed forward capability which will ultimately be essential for large scale error correction. This experiment does not take advantage of feed forward, but such systems will ultimately require this to make corrections in real time.
But beyond the current generation H2, Quantinuum’s next generation Helios processor will come online in 2025 and we expect it will have roughly 90 physical qubits and provide even better physical qubit fidelity. The Helios processor will introduce, for the first time in a commercial QCCD device, a X-junction as part of the 2D surface electrode trap that the company recently described at the APS Conference. The company expects they will be able to have 10 or more logical qubits with this machine and moving from their current linear topology to two or three dimensions provides them with a pathway for scaling even further.
And, of course, Microsoft is continuing to research their topological based qubits which might provide advantages in coming years due to their potential advantages in qubit error rates, gate speeds, and small physical size. (See our previous writeup in the QCR about Microsoft’s research in topological qubits.)
GQI’s Thoughts
So, to summarize this announcement, GQI believes that while it is not yet a Sputnik moment for fault tolerant quantum computing, at 800X it’s the first time we’ve seen a rocket engine really ignite.
The Quantinuum H2 hardware is the highest fidelity truly commercial quantum kit available today. Quantinuum has consistently delivered on the promises of its quantum roadmap and it’s no surprise that this breakthrough has been achieved using this system. Their next generation Helios architecture is expected to provide continuing vigor in their plans to scale up.
And for Microsoft, their major initiatives in quantum may seem diverse: topological qubits, quantum networking, programming frameworks and quantum chemistry software. But experts will see a common thread of quantum error correction know-how running behind them all.
Additional Information
More information is available in a Quantinuum press release here and a Quantinuum blog post here. Microsoft has published two blogs about this research that can be seen here and here. In addition, a short video produced by Microsoft can be seen here. And finally, a technical paper describing this research in detail can be accessed here and will be posted shortly on arXiv.
Source:
Quantum Computing Report
https://quantumcomputingreport.com/
= = = = = =