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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。
Le calcul sur ordinateur quantique ne progresse qu'à condition de produire sans cesse les pièces qui sont consommées en cours de route. Ces pièces sont des états quantiques particuliers, appelés « états magiques », indispensables pour corriger les erreurs pendant le calcul. Google Quantum AI a annoncé le 15 octobre avoir démontré, par l'expérience, une méthode permettant de produire ces pièces sur sa puce quantique « Willow ». Par rapport à l'absence de culture, les erreurs ont été réduites environ 40 fois.
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 état magique ne peut pas être réutilisé après un usage : il faut donc en fabriquer en permanence pendant le calcul. Or produire des états de haute qualité exige des ressources considérables. Selon une estimation, jusqu'à 95 % de la capacité d'un ordinateur quantique pourraient être consacrés à leur génération. Les chercheurs cherchent depuis près de vingt ans à réduire ce coût. La méthode classique, la « distillation d'états magiques », purifie un grand nombre d'états bruités pour en extraire des états de qualité, ce qui mobilise beaucoup de qubits et de temps.
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。
La nouvelle approche repose sur une autre logique. Des états bruités sont injectés dans une petite zone de la puce, puis des mesures sont répétées pour détecter la présence d'erreurs. Les essais où une erreur apparaît sont écartés, et les états restants sont « cultivés ». Ce mécanisme, qui fonctionne comme un filtre, avait été présenté en 2024 par les chercheurs de Google Quantum AI sur le plan théorique. Dans l'expérience, la fidélité des états conservés atteint au moins 99,99 %, un record selon l'entreprise. Toutefois, seuls environ 8 % des essais ont franchi le contrôle d'erreurs.
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。
Au cours de la démonstration, des mesures semblant contraires aux lois de la physique ont été obtenues, et l'équipe a dû en chercher l'origine. Des dérives progressives des composants électroniques dans le temps, ainsi que du bruit lié aux variations de température, avaient mis à mal les hypothèses des méthodes d'évaluation habituelles. L'équipe a ajouté des commandes limitant l'influence du bruit, puis mis au point une nouvelle méthode d'évaluation qui utilise la culture elle-même comme outil de mesure. Elle a également réussi une « greffe » : des états préparés grâce au « code couleur », un type de correction d'erreurs adapté à la culture, ont été transférés vers une zone plus grande du « code de surface », une méthode de correction mieux établie. Selon Google, c'est un premier pas vers la compatibilité de la culture avec la conception de ses ordinateurs quantiques.
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。
Que change cette avancée ? Google estime que ce résultat rapproche d'un ordinateur quantique pratique capable de corriger ses erreurs, tout en reconnaissant qu'une mise en pratique demandera des démonstrations à plus grande échelle. Si le coût de production des états magiques baisse, la taille des machines nécessaires aux calculs utiles pourrait être sensiblement réduite. Mais l'annonce ne donne aucune indication sur le moment où cela pourrait devenir réalité.