主要成果
浙江大学と香港科技大学（広州）の研究チームは、125量子ビットを備えた超伝導量子プロセッサを用い、トポロジカル回転表面コードによる論理状態の量子テレポーテーションに成功しました。特筆すべきは、コード距離（code distance）を最大7まで達成した点であり、これは量子誤り訂正アプローチのスケールアップにおける新たな基準となります。本研究は、量子情報を保護するための有力な候補である表面コードを用い、分散型のフォールトトレラント（耐故障性）量子計算をサポートするものです。
技術・詳細
実験では、プロセッサを「アリス」と「ボブ」という2つの正方形格子に配置し、それぞれの次元をコード距離に対応させてテレポーテーションプロセスをマッピングしました。コード距離7の場合、ボブ側の格子境界にある量子ビットに微調整を施すことで、テレポーテーションに不可欠なもつれ状態の生成と操作を可能にしています。また、調整可能な近接量子ビット間結合を利用し、高速かつ高フィデリティな2量子ビットゲートを実現しました。
システムの性能を支えるハードウェアの精度は極めて高く、以下の数値が報告されています。
- 単一量子ビットゲートのフィデリティ：中央値 99.94%
- 2量子ビットゲートのフィデリティ：99.64%
- 読み出しフィデリティ：中央値 99.08%（|1⟩状態から|2⟩状態へポンプすることを事前に行い、信号を増幅させる手法を採用）
さらに、コヒーレントな量子ビット回転を通じて「マジックリソース」を注入する手法を導入しました。これにより、クリフォード回路の制限を超えてトポロジカル相内の双対対称性を回復させ、テレポーテーション成功に必要なもつれリソースを最小限に抑えることに成功しています。
背景・業界の文脈
本アプローチは、$Z_2$格子ゲージ理論とトポロジカル秩序の原理に基づいており、信頼性の高い動作に必要な最小限のもつれレベルである「もつれ閾値」を向上させる道筋を提示しています。研究チームはこれを「電気・磁気双対性の回復」と表現しており、この効果を実験的に実証しました。超伝導プロセッサにおいて量子ビット間の相互作用を精密に制御し、表面コードの誤り訂正特性を支える長距離もつれを維持できることを示した点は、技術的に大きな意味を持ちます。
今後の展望
今回の実験成功は、超伝導プロセッサがフォールトトレラント量子計算を実現するための実行可能なプラットフォームであることを示唆しています。また、トポロジカル量子物質の性質とその量子デバイス上でのシミュレーションの関係を明らかにしました。今後は、量子ビット数のさらなる増大や、コヒーレンス時間の延長といった課題が残っていますが、高フィデリティゲートと最適化されたアーキテクチャの組み合わせは、将来的な研究の設計図となります。最終的な目標は、現在は解決不可能な問題を解くことができる、相互接続された量子コンピュータネットワークの構築にあります。
元記事: https://quantumzeitgeist.com/hefei-quantum-teleportation-works-surface-code/
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