Chicago大学Pritzker分子工学スクール、Harvard、Stony Brook大学、Quantinuumの研究者らは、非可換エニオンに基づく万能量子計算に必要なすべての操作を実験的に実証した。Natureに掲載されたこの研究は、このアプローチがさまざまな量子アルゴリズムを実行できるだけの幅広い操作セットを提供できることを示す、初の実験的証拠を提示した。
量子コンピューターはエラーに対して非常に敏感であるため、情報は通常、多数の物理量子ビットに分散される。しかし、誤り訂正手法は、保護された情報上で万能計算に必要なすべての操作を自動的に提供するわけではない。この不足を補うために用いられる「マジック状態」の生成には、マジック状態蒸留と呼ばれる、多数の量子ビットを消費する可能性のあるコストの高いプロセスが必要となる。研究者らは、非可換符号によってこの段階を省ける可能性があると指摘した。
非可換エニオンは、自然界に独立した粒子として存在するわけではなく、多数の従来型量子ビットをもつれさせることで量子回路内に生成される。情報は、あるエニオンを別のエニオンの周囲で動かした際に、それらの内部状態が変化することで処理される。この「編み込み」操作では、動きの順序が重要となる。情報を多数のもつれた量子ビットに広げることで、いくつかの小さな擾乱からも情報を保護できる可能性がある。
研究者らは2024年、Quantinuumのイオントラップ型量子コンピューターで、正方形の回転と反射を保つD4対称群に関連するエニオンを生成していた。しかし、編み込みだけでは万能計算に十分ではなかった。今回の研究でチームは、正三角形の回転と鏡映を保つS3対称性を用い、QuantinuumのH2プロセッサー上で54個のもつれた量子ビットによりエニオンを生成した。
S3システムにおける万能性は、編み込みを「融合」操作と組み合わせて用いることに基づいている。この操作では、2つのエニオンを近づけ、融合後の状態を測定する。チームは、2値の量子ビットではなく、3つの情報レベルをもつトポロジカルな量子三準位系（qutrit）を生成した。編み込みによってもつれゲートを、融合によって2種類の測定を実行した。この3つの手段を組み合わせることで、編み込みだけでは実行できなかった操作を含め、原理上、任意の量子操作が可能になる。
実験ではさらに、トポロジカル操作によって直接マジック状態を生成したが、アクティブな誤り訂正は適用しなかった。研究者らは、次の段階はこれらの操作をアクティブな誤り訂正と組み合わせることだと述べた。
なぜ重要か
この研究の意義は、万能量子計算に必要な多様な操作を実現するために用いられているマジック状態蒸留の代替となり得る道筋を示したことにある。このアプローチは、誤り訂正されたシステムで多数の物理量子ビットに分散された情報を処理する際に必要なリソースを削減できるかという問題を提起している。今回の結果は、量子アルゴリズムを特定の操作だけに限定しないことを目指すうえで、研究者と量子ハードウェアを開発するチームの双方に新たな研究領域を開くものである。一方で、この実験では、小さな擾乱に対する手法の保護能力を処理中にアクティブに検証しなかった。そのため、示された操作をアクティブな誤り訂正と組み合わせた場合に、どの程度信頼性があり、リソースの面で実行可能になるのかが、未解決の問題として残されている。