IBMとシカゴ大学の研究者たちは、計算上困難なタスクを実行し、結果の正確性の証拠を提供できる量子計算システムを展示しました。この実験では、エラー修正された論理量子ビットを使用して、従来のシミュレーション方法では実際に再現できない複雑な量子回路を実行しました。IBMの量子コンピュータは約15分で計算を完了しましたが、主流の従来の方法は受け入れられない計算時間に直面していました。さらに重要なことに、研究者たちは有効な論理エラー率が物理エラー率よりも10倍低いことを発見しました。これは、エラー修正システムが計算プロセス中のハードウェアレベルのエラーの影響を大幅に減少させたことを意味します。
この結果は、量子優位性のデモンストレーションにおける主要な問題の一つを解決しました。
量子計算が従来のコンピュータでは再現できないほど困難になるにつれて、量子機械が正しい結果を生成しているかどうかを独立して検証する作業もますます困難になっています。研究者たちは、従来、量子コンピュータが従来の機械の実際の能力を超えた計算を実行できるかどうかをテストするために、ランダム回路サンプリングと呼ばれる技術を使用してきました。この方法は、従来のシステムが再現するのが難しい複雑なパターンを生成します。しかし、ここには問題があります。計算が従来のコンピュータにとってあまりにも困難であれば、量子コンピュータの出力を検証することも難しい可能性があります。IBMとシカゴ大学のチームは、ランダム回路サンプリングの計算の難しさを維持しながら、計算プロセス中にエラーを検出できる異なる回路設計を採用しました。
IBM量子計算システムが顕著な計算優位性を示しました
シカゴ大学の准教授ビル・フェッファーマン（Bill Fefferman）は、「検証は依然として実験的な量子優位性を確立する最大の課題の一つです。この実験は、ノイズ下で困難な量子状態の忠実度をより良く特定する技術を開発し、量子コンピュータが計算上困難な問題を解決する能力に対する信頼を高めました。」と述べています。この実験では、物理量子ビットのエラー修正バージョンである70個の論理量子ビットを使用しました。チームは2,415回の論理二量子ビット操作と468回の論理Tゲートを実行し、従来のシミュレーション方法に挑戦するのに十分な複雑な回路を作成しました。
研究者たちは、エンコードされた回路の有効な論理エラー率が物理エラー率よりも10倍低いことを示しており、この改善によりシステムは大量の操作においても高い回路忠実度を維持できるようになりました。
IBMは、この実験が統計的な信頼性を提供し、量子計算が忠実に実行されることを保証し、なおかつ従来のコンピュータの実際の範囲を超えていることを示していると述べています。IBMの研究ディレクターでIBM Fellowのジェイ・ガンベッタ（Jay Gambetta）は、「私たちは今、量子優位性の時代に確固たる一歩を踏み出しました。私たちは、従来のコンピュータの実際の能力を超える量子計算を示し、その実行の下限を統計的に確立しました。」と述べています。この区別は、実用的な量子コンピュータの開発にとって重要です。量子機械が従来のシステムを超えることができることを証明することは挑戦の一部に過ぎず、研究者たちは量子ハードウェアがますます大きく複雑になるにつれて、機械の出力が信頼できるかどうかを確認する必要があります。
シカゴ大学のフェッファーマン教授の博士課程の学生ソウミク・ゴーシュ（Soumik Ghosh）は、より良い検証が将来の量子コンピュータの実用的な応用を促進できると述べています。「実験的な検証を強化するだけでなく、検証の進展は次世代の量子コンピュータの実用的な応用を解放する可能性もあります。」研究者たちは、IBMの量子優位性トラッカーを通じて回路と結果を公開し、この作業が他の量子優位性のデモンストレーションと比較できるようにしました。この研究「検証可能な高忠実度を持つ困難な回路サンプリング」は、『Physical Review X』に発表されました。