Quantinuum は最新のイオントラップシステム Helios を発表し、約 2:1 の比率で符号化された48個の誤り訂正済み論理量子ビットを実現したと主張しています——約96個の物理量子ビットが48個の論理量子ビット分の仕事をしているということです。この発表に関する報道の多くは量子ビット数を主な見出しにしていました。しかし本当に注目すべき数字は、この比率のほうです。
論理量子ビットと耐障害性についての関連記事を読んでいれば、その理由はすでにお分かりでしょう。超伝導ハードウェア上の表面符号(サーフェスコード)の見積もりでは、基盤となるハードウェアが誤り閾値をどれだけ下回っているかによって、論理量子ビット1個あたり物理量子ビットが数百から数千個必要になるのが一般的です。ベンダーが報告する2:1に近い比率は、その数字の段階的な改善ではありません——設計空間のまったく別の領域に属するものであり、その数字を額面通りに受け取る前に、何がそれを可能にしているのかを理解する価値があります。
Helios とは何か
Helios は Quantinuum の最新の H-Series 世代イオントラップシステムです——このラインナップはこれまで何度も量子ボリュームの記録を保持してきており、イオントラップ分野における Quantinuum の主要な競合相手である IonQ も、これを超えるべき主要なベンチマークとし続けています。イオントラップ型ハードウェアは電磁場中に個々のイオンを捕捉し、レーザーパルスで操作します。これにより、ゲート速度(超伝導量子ビットのナノ秒に対し、マイクロ秒〜ミリ秒)を犠牲にする代わりに、誤り訂正にとって極めて重要な2つの利点——より高いゲート忠実度と、全対全接続性(チェーン内のどのイオンも、中間の量子ビットを経由せずに他のどのイオンとも量子もつれを形成できること)——を得ています。
なぜこの比率がここで可能なのか
Google の Willow のような超伝導チップで使われる標準的な誤り訂正符号である表面符号は、最近接パリティチェックを基盤としています。これは平面的な2D超伝導チップが物理的にサポートできることそのものだからです。この制約こそが、そのオーバーヘッドが非常に高い大きな理由です——現実的な誤り率に対して論理量子ビット1個を保護するには、かなりの規模の2D格子状の物理量子ビットが必要になります。
イオントラップにはこの制約がありません。どのイオンも他のどのイオンとも相互作用できるため、非局所的なパリティチェックを必要とする符号——平面チップ上では配線コストが法外に高くつくタイプのもの——が直接実装可能になります。これにより、より量子ビット効率の良い符号族(大まかに言えば qLDPC 系の構成)への道が開かれ、より遅いゲートと引き換えに、物理量子ビットから論理量子ビットへのオーバーヘッドを劇的に削減できます。当サイトのハードウェア概観と方式比較ではこのトレードオフをより一般的な観点から扱っていますが、Helios は現在出荷されているものの中で、これを最も明確に示す具体例です。
この比率が教えてくれないこと
オーバーヘッドは一つの軸にすぎず、唯一の軸ではありません。論理量子ビット1個あたりの物理量子ビット数が少ないからといって、自動的により実用的なマシンになるわけではありません。論理量子ビットについての記事で述べたように、論理量子ビットはオーバーヘッド、アイドル時の論理誤り率、論理ゲート忠実度、論理ゲート速度、ゲートセットの普遍性という複数の指標をまとめて評価すべきです。イオントラップのゲートは超伝導ゲートよりも桁違いに遅いため、1操作あたりミリ秒かかる2:1符号化の論理量子ビットは、千倍速く動作するもののコストが高い論理量子ビットより単純に「優れている」とは言えません——正しい比較は、デコヒーレンスが追いつくまでにアルゴリズムが必要とする論理演算の回数に完全に依存します。
また、この業界のあらゆるハードウェアに関する主張と同様に、独立に再現されるまではベンダーが発表した数字として読むべきです。「2:1での48論理量子ビット」は、特定の運用条件下での具体的な実証を表すものであり、一般に利用可能なすぐ使える機能を意味するものではありません。
今学んでいる人にとっての意味
Helios クラスのハードウェアは、IBM の Open Plan のように無料枠のキューに並んで使えるものではありません——しかし、最終的にどのハードウェアが勝者になるとしても、そこにある考え方はそのまま応用できます。Quantinuum の TKET コンパイラはオープンソースであり、どのバックエンドを対象とするかにかかわらず今日から無料で使えます。そして本稿にある概念——符号化オーバーヘッド、接続性の制約、閾値定理——は、今後どんな発表が出てきてもそれを評価するために使う、同じ道具立てです。当サイトの誤り訂正の解説記事ではその基礎的な仕組みを扱っており、量子業界の全体像ではこの方式に限らず、あらゆる方式で誰が何を構築しているかを追跡しています。