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量子コンピュータの計算は、途中で使い切られる部品を作り足し続けなければ進まない。その部品が「魔法状態」と呼ばれる特殊な量子状態で、誤りを直しながら計算するために欠かせない。Google Quantum AIは10月15日、この部品を量子プロセッサ「Willow」の上で作り出す手法を実験で示したと発表した。栽培しない場合と比べてエラーは約40分の1に減ったという。
El cálculo en un ordenador cuántico no avanza si no se siguen fabricando piezas que se van consumiendo por el camino. Esas piezas son los llamados «estados mágicos», estados cuánticos especiales imprescindibles para calcular corrigiendo errores. Google Quantum AI anunció el 15 de octubre que ha mostrado experimentalmente cómo producir estas piezas en su procesador cuántico «Willow». Según la compañía, los errores se redujeron a aproximadamente una cuarentava parte frente a no cultivarlos.
魔法状態は一度使うと再利用できず、計算の最中に次々と作らなければならない。しかも高品質なものを作るには膨大な資源が要る。量子コンピュータの能力の最大95%をその生成に割く必要があるという試算もあり、研究者らは約20年にわたってこのコストを下げる方法を探してきた。従来の「魔法状態蒸留」は、ノイズを含む多数の状態から質のよいものを精製するため、多くの量子ビットと時間を費やす。
Un estado mágico no puede reutilizarse tras un único uso, de modo que deben generarse continuamente durante el cálculo. Además, producirlos con alta calidad requiere recursos enormes. Según una estimación, hasta el 95 % de la capacidad de un ordenador cuántico podría destinarse a su generación, y los investigadores llevan unos 20 años buscando formas de reducir ese coste. La «destilación de estados mágicos» tradicional purifica muchos estados con ruido para obtener algunos de buena calidad, lo que consume muchos cubits y mucho tiempo.
新しい手法は発想が違う。チップ上の小さな領域にノイズを含んだ状態を注入し、エラーの有無を確かめる測定を繰り返す。エラーが見つかった試行は捨て、残ったものを育てていく。フィルタのように働くこの仕組みは、Google Quantum AIの研究者らが2024年に理論として発表したものだ。今回の実験では、残った状態の忠実度が少なくとも99.99%に達し、同社はこれを過去最高としている。ただし、エラーチェックを通過して残ったのは試行全体の約8%にすぎなかった。
El nuevo método parte de una idea distinta. Se inyectan estados con ruido en una pequeña región del chip y se realizan mediciones repetidas para comprobar si hay errores. Los intentos con errores se descartan y los que sobreviven se «cultivan». Este mecanismo, que actúa como un filtro, fue propuesto teóricamente en 2024 por investigadores de Google Quantum AI. En el experimento, la fidelidad de los estados que quedaron alcanzó al menos el 99,99 %, y la compañía lo considera un récord. Sin embargo, solo alrededor del 8 % de los intentos totales superó el control de errores.
実証の過程では、物理法則に反するように見える測定データが得られ、チームは原因を探ることになった。電子機器の特性が時間とともに少しずつずれることや、温度変化によるノイズが、従来の評価手法の前提を崩していたという。チームはノイズの影響を抑える制御を加え、栽培そのものを測定に使う新しい評価手法を開発して対応した。さらに、栽培に適した「カラー符号」と呼ばれる誤り訂正方式で作った状態を、より確立された「表面符号」のより大きな領域へ移す「接ぎ木」にも成功した。栽培が同社の量子コンピュータの設計と両立することを示す第一歩だという。
Durante la demostración aparecieron datos de medición que parecían contradecir las leyes físicas, y el equipo tuvo que investigar la causa. Resultó que las características de los componentes electrónicos se desplazaban poco a poco con el tiempo y que el ruido derivado de los cambios de temperatura invalidaba las premisas de los métodos de evaluación habituales. El equipo añadió controles para reducir la influencia del ruido y desarrolló un nuevo método de evaluación que usa el propio cultivo como medición. También logró un «injerto»: trasladar estados creados con el «código de color», un método de corrección de errores adecuado para el cultivo, a una región mayor del «código de superficie», más consolidado. Según el equipo, es un primer paso que muestra que el cultivo es compatible con el diseño de los ordenadores cuánticos de la compañía.
では、これで何が変わるのか。Googleは、今回の成果が誤り訂正できる実用的な量子コンピュータに一歩近づいたとしつつ、実用化にはより大規模な実証が必要だと認めている。魔法状態の生成にかかるコストが下がれば、実用的な計算に必要な装置の規模を大幅に小さくできる可能性がある。ただし、それがいつ現実になるかを示す数字は、今回の発表には含まれていない。
¿Qué cambia, entonces? Google reconoce que el resultado acerca a un ordenador cuántico práctico capaz de corregir errores, pero admite que su aplicación práctica requiere demostraciones a mayor escala. Si baja el coste de generar estados mágicos, podría reducirse de forma notable el tamaño de los equipos necesarios para cálculos prácticos. Sin embargo, el anuncio no incluye cifras sobre cuándo podría hacerse realidad.