量子計算は長い間内部に矛盾を抱えてきました。もし量子計算機が最終的に従来の機械が処理できない問題を解決できるなら、その答えの正確性をどのように保証するのでしょうか？この課題は最終結果の検証にとどまらず、研究者は量子ハードウェア自体がその主張通りに動作することを確認する必要があります。ポーランドのグダニスク大学の博士研究員であるShubhayan Sarkarは、「量子計算機は根本的に異なる課題を提起します。従来の計算機の能力を超える問題を解決することが期待されているため、従来の方法でベンチマークを行うことができない可能性があります。」と述べています。
現在、Sarkarは量子計算機の最も重要なコンポーネントの一つである量子ゲートを、機械内部の設計に関する詳細な知識に依存せずに検証する方法を提案しています。この研究は、長年未解決の問題を解決し、将来的には量子プロセッサの信頼性を高める可能性があります。
量子ゲートの自己テスト方法が量子計算の信頼性を向上させる
量子検証をネットワーク問題に変換することで、Sarkarの解決策は、量子状態と測定が量子非局所性と呼ばれる現象によって自己テストできることを示す以前の研究に基づいています。量子非局所性は、2022年の物理学ノーベル賞の授与を促進した実験的検証により、遠く離れた量子システムが従来の物理学だけでは説明できない相関を生み出すことを可能にしました。これらの相関を分析することで、研究者はシステムを開けてハードウェアを確認することなく、システムが本当に量子システムであることを証明できます。以前の研究で、Sarkarと彼の同僚は任意の量子状態と測定を自己テストできる方法を開発しましたが、この新しい研究はこの概念を量子操作、特にユニタリーゲートに拡張しました。
ユニタリーゲートは、量子情報を操作し、その完全性を保持するための数学的操作であり、量子論理ゲートの理想的な表現となります。
Sarkarは、「すべての量子計算機は基本的にユニタリーゲートに基づく量子チップで動作するため、ユニタリーゲートの自己テストは量子計算機の『ブロック』を認証することになります。」と説明しています。要するに、これらのゲートの正確性を検証することは、量子プロセッサの正しい動作を証明するために重要です。これを実現するために、Sarkarはネットワークベースの認証スキームを設計しました。中央サーバーがいくつかの外部ノードと星形に接続されていると想像してください。中央サーバーと各外部ノードの間には、スイッチ可能な量子ゲートが設置されています。ゲートが閉じているとき、研究者はまず特別に設計されたベル不等式を使用して外部ノードとその量子接続を認証します。これらの不等式は、観察された行動が量子力学によってのみ説明できるかどうかを明らかにする数学的テストです。
これらの周辺コンポーネントが認証されると、ゲートは再び開かれます。残りのネットワークが認証されているため、研究者は生成された統計パターンを利用してゲート自体が正常に機能しているかどうかを判断できます。
さらに重要なのは、すべてのデータが単一の実験で収集され、その後一緒に分析されて各コンポーネントを認証することです。この研究は実際に2つのバージョンのプロトコルを提案しています。より簡単なバージョンは「ほぼデバイス独立」スキームと呼ばれ、理論的には、量子状態を元の数学的サブスペースから外に移動させない限り、任意の量子ユニタリーゲートを自己テストできます。これにより、実装が大幅に簡素化され、プロセッサ内部のハードウェアに関する詳細な仮定を回避できます。研究者はまた、完全にデバイス独立のバージョンを開発しました。この方法はより厳密ですが、ネットワーク内部に追加の量子テレポーテーションリンクを構築することを要求するため、より挑戦的です。
ゲートの検証プロセスを行う前に、これらのリンクはさらにベルテストによって認証される必要があります。
この研究の特筆すべき点は、これら2つのスキームを支持する理論的結果です。Sarkarは、各量子操作が一組のユニークな観測可能性に関連していることを証明しました。要するに、各量子ゲートはその独自の統計的指紋を残します。実験で生成された相関を調べることにより、科学者は特定のゲートが観察された行動を生成したかどうかを判断できます。他のゲートではなく、実験で排除できないいくつかの曖昧さを除いて。この能力は、先進的な量子プロセッサを国内で製造するためのリソースやインフラが不足している発展途上国や組織にとって特に重要です。
量子技術が広く利用可能になるにつれて、多くの国は外国の供給者から量子チップを輸入し、それを自社の計算プラットフォームに統合する必要があるかもしれません。これにより、彼らはこの認証方法を使用して輸入されたハードウェアが正しく動作しているかどうかを独立して検証できます。
量子時代における信頼の構築。この研究は原理の検証であり、実用化の準備が整った技術ではありません。小型の星形量子ネットワークは実験的に検証されていますが、研究で説明されている完全な認証プロトコルは実際の量子プロセッサでテストされていません。この方法はまた、複数のベルテストと独立した量子源に関する仮定に依存しており、大規模な実装が困難になる可能性があります。それにもかかわらず、この影響は深遠です。各国政府やテクノロジー企業が量子計算に数十億ドルを投資する中で、検証、透明性、信頼性に対する懸念がますます重要になっています。
最近、MicrosoftのMajoranaに基づく量子技術に関する議論は、新興の量子ハードウェアの性能を外部機関が独立して評価することの難しさを浮き彫りにしました。堅牢な認証フレームワークは、これらの主張を客観的に評価する方法を提供することができます。Sarkarの次の目標は、必要なベルテストの数を減らすことでこのプロトコルをより実行可能にし、現実世界のノイズや欠陥が存在する状況でも信頼性を維持できるようにすることです。彼はまた、この方法をIBM Quantumが提供するような公開アクセス可能な量子計算プラットフォームに調整することを望んでいます。
もし成功すれば、ユーザーは運営会社を信頼することなく、量子コンピュータが実行する操作を検証できるようになります。
「これはこれらの企業の量子計算をベンチマークするだけでなく、量子計算に対する公衆の信頼を高めることにもつながります。」とSarkarはまとめました。この研究は『Physical Review Letters』誌に発表されました。