格子手術デモが耐障害性量子コンピューティングを前進させる

ETHチューリッヒの研究者が率いる科学者チームは、最近、格子手術を用いて量子ビットをエンタングルする方法を実証しました。このプロセスにより、エンジニアはより強力な量子コンピュータを構築でき、これらのデバイスのすでに驚異的な性能を拡大し、将来的な採用への道を開きます。以下が重要ポイントです。

量子コンピュータが根本的に異なる理由

量子コンピュータは、多くの人々にとってコンピュータの進化における次のステップと見なされています。これらのデバイスは、従来の何千倍もの計算能力を提供でき、複雑な科学計算やそれ以上に最適です。

量子コンピュータは、従来のコンピュータよりはるかに強力であることが実証されています。量子ビット、重ね合わせ、エンタングルメント、干渉に依存して情報を処理するため、従来のデバイスを上回ります。この構造により、数百万の計算を並列に処理できます。

量子誤り訂正が核心的なボトルネックである理由

しかし、量子データの保存に関しては、複製や保存が可能な従来のビットに比べてはるかに困難です。取得時に、複製を相互参照してデータが破損していないことを確認できます。

量子誤り訂正は、いくつかの理由で非常に複雑です。まず、量子ビットは従来のビットと同様にコピーできません。その代わり、ビット間で作られるエンタングル状態に依存します。この脆弱な状態は簡単に破壊され得ます。

ビットフリップと位相フリップ

さらに、量子コンピュータはデコヒーレンスと位相シフトに対処しなければなりません。量子コンピュータは、ビットが突然かつ予告なしに位相を正から負へシフトできるという点で独特です。この問題により、長期間にわたる量子データの保存がより困難になっています。

エンジニアがこの問題を解決する方法

エンジニアはこの量子シフトを修正するためにいくつかの手法を模索しています。一般的な方法の一つは、複数のビットから論理ビットを作成することです。作成後、エンジニアは正確性を保つために継続的に誤り訂正を適用します。

このプロセスでは、科学者は目的別に構築されたスタビライザの状態を常に測定する必要があります。これらのスタビライザは、ビットの値を変えることなくビットの変化を監視できるようにし、ビットと位相の読み出しを追跡可能にします。

このプロセスはデータビットを生成します。これらのビットは訂正状態を保存する役割を果たします。問題は、ほとんどの量子コンピュータが超伝導ビットの二次元配列に依存していることです。

これらのビットは空間に固定されており、量子状態を損なうことなく移動できません。スタビライザは安定性を維持するのに役立ちますが、隣接するビットにしか作用できないため、二次元ビット応用に限定され、適用範囲が非常に狭いです。

量子ビットにおける格子手術の研究

量子コンピューティング能力の向上を目指し、ETHチューリッヒとポール・シェラー研究所の科学者は、Nature Physics にて「Lattice surgery realized on two distance-three repetition codes with superconducting qubits¹」という研究を発表しました。

この論文は、量子エンタングルメントとスタビライザの新しい手法を紹介しています。新しいアプローチにより、超伝導論理ビット間で量子操作を実行しながらリアルタイム誤り訂正を行うことが可能になります。

量子コンピューティングにおける格子手術とは何か

この新展開の核心は格子手術です。格子手術は、論理ビット間でトポロジカルコードをつなぎ合わせます。この手法は、2D ビット配置と耐障害性ゲート操作の両方をサポートします。

格子手術を利用することで、エンジニアは隣接していないエンコードされたビット間でも論理ゲートを適用できました。この戦略は直接的なビット接触を回避し、デコヒーレンスによるエラーを減少させます。

格子手術は、スタビライザが適用されたパッチ（ビット）を使用します。このプロセスはゲートを一時的に接続し、パリティチェックとより大きなコード空間での処理を可能にします。特に、本研究は、超伝導サーフェスコードハードウェアを用いたエンコードされた論理ビット間での格子手術の実験的デモンストレーションのうち、リアルタイム誤り訂正を維持した最初の例の一つです。

格子手術実験の実施方法

エンジニアは計算が正しいことを確認するために複数のテストを実施しました。まず、チームは量子デバイスを作成しました。論理ゲートは、約正方形に配置された 17 個の超伝導ビットで構成されています。

二つをエンタングルさせた後、エンジニアは分割操作に注力しました。そのために、論理ビットをビットフリップ繰り返しでエンコードし、1.66 マイクロ秒ごとにスタビライザの結果を監視しながらビットフリップと位相フリップの訂正も同時に実施しました。

この手法はサーフェスコードの正方形を半分に分割し、追跡とテストを容易にします。結果として、理論が正しかったことが実証されました。

量子ビットにおける格子手術 – テスト結果

エンジニアはビットフリップエラーがリアルタイムで訂正されたことを確認しました。同じプロセス下で非エンコード回路と比較して改善が見られ、結果として二つのエンコードされた論理ビットが相互にエンタングルされました。

量子ビットにおける格子手術の利点

本研究が市場にもたらす利点は多数あります。まず、より強力で高精度な量子コンピュータへの道が開かれます。耐障害性と訂正をデバイスに組み込むことで、将来の世代はより高い性能と安定性を提供できるようになります。

量子ビットにおける格子手術：実世界の応用とタイムライン

本研究にはいくつかの応用があります。主に、この研究は新興の量子コンピュータ分野の拡大と改善に寄与します。デバイスに新たな安定性レベルを提供し、エンジニアはさらに多くのビットを活用したより強力なユニットを作成できるようになります。

量子ビットにおける格子手術のタイムライン

エンジニアによれば、この技術が実用化され、現在の先進的な量子デバイスに適用されるまでにはまだ多くの作業が残っています。しかし、今後 7〜10 年以内にこの技術が業界に導入され、量子コンピュータの採用が拡大すると見込まれます。

量子ビットにおける格子手術：研究者

本研究には複数の著名機関の研究者が参加しました。特に、D‑PHYS のアンドレアス・ウォラフ教授が論文を主導し、RWTH アーヘン大学とフュルハウスセンター・ユリヒのマルクス・ミュラー教授が共同執筆しました。

論文には、イリヤ・ベセディン、マイケル・ケルシュバウム、ジョナサン・ノール、イアン・ヘスナー、ルーカス・ボーデケル、ルイス・コルメナレス、ルカ・ホフェレ、ネイサン・ラクロワ、クリストフ・ヘリングス、フランソワ・スヴィアデク、アレクサンダー・フラスビー、モーセン・バフラミ・パナフ、ダンテ・コラオ・ザヌズらが貢献者として掲載されています。

量子ビットにおける格子手術の未来

この技術の将来は明るいです。目標は、他の最新ブレークスルーと統合し、エンジニアが数千ビット規模の実用的な量子コンピュータを構築するという全体的な目標を達成することです。

量子イノベーションへの投資

量子コンピューティング分野は、数億ドルを投資した研究企業が支配しています。これらのグループは革新的な精神で技術に取り組み続け、かつては不可能と考えられたアプローチを明らかにしています。以下は、将来の開発と採用を促進するのに貢献した企業の一例です。

Rigetti Computing

Rigetti Computing (RGTI ) は 2013 年にチャド・リゲッティによって設立され、超伝導ビット技術を用いて世界で最も強力な量子コンピュータを構築することを目的としています。イオンをトラップする IonQ とは異なり、Rigetti の超伝導回路への注力は、ETH チューリッヒの超伝導論理ビットに対する格子手術研究とより密接に一致しています。

2018 年に Rigetti は 128 ビットチップを実証し、それ以来「フルスタック」量子コンピューティングの開発を先導しています。これには、世界初の専用量子ファウンドリーである Fab‑1 施設が含まれ、同社は自社の量子プロセッサを設計・製造しています。

Rigetti はハイブリッド量子‑古典コンピューティングで大きな進展を遂げました。その Quantum Cloud Services (QCS) プラットフォームは、量子プロセッサと高性能古典インフラを統合し、現在の研究で議論されているリアルタイム誤り訂正に不可欠です。2021 年に Rigetti は Supernova Partners Acquisition Company II との合併を通じて上場し、NASDAQ に上場しました。

現在、Rigetti は Ankaa クラスのシステム開発に積極的に取り組んでおり、調整可能な結合子の正方形格子を利用しています。このアーキテクチャは、最新の ETH チューリッヒ研究で実証された耐障害性操作と論理ビットエンコードをサポートするよう特別に設計されています。

最新のRigetti Computing（RGTI）ニュースとパフォーマンス

量子ビットにおける格子手術 | 結論

量子コンピュータは比類なき計算能力を約束しますが、その脆弱性のために多くの人が利用・所有できるほど手頃ではありません。本研究はこれらのデバイスの安定化に寄与し、手頃で信頼できる選択肢に一歩近づけます。この理由を含め、これらのエンジニアはスタンディングオベーションに値します。

他の量子コンピュータのブレークスルーについては、こちらをご覧ください。

参考文献

^{1. Besedin, I., Kerschbaum, M., Knoll, J., Hesner, I., Bödeker, L., Colmenarez, L., Hofele, L., Lacroix, N., Hellings, C., Swiadek, F., Flasby, A., Bahrami Panah, M., Colao Zanuz, D., Müller, M., & Wallraff, A. (2026). 超伝導量子ビットを用いた距離3の繰り返しコード2つで実現された格子手術. Nature Physics, 1-6. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03090-6}