IBM、別々の量子計算チップを線でつなぎ99％の精度で情報転送に成功

米IBMの研究チームは、超伝導量子プロセッサ同士を長距離配線で接続し、平均99%の忠実度（精度）で量子情報を相互に転送することに成功したと発表した。複数の量子プロセッサを連結して大規模な計算システムを構築する「モジュラー型量子コンピューター」の実現に向けた重要な進展となる。

チップ大型化の限界を破る複数接続

量子コンピューターの性能を引き出すには現行よりも大幅に大規模なシステムが必要とされるが、単一チップの大型化だけに頼る手法には限界がある。そのため、極低温環境を共有する複数のプロセッサを協調させ、チップ間で情報をやり取りする方式が求められている。これまでにも各機関がチップ間接続の概念実証を行ってきたものの、大型の超伝導量子ビットプロセッサ同士を複数系統で接続する製造・組み立てプロセスには適していなかった。

80センチの配線で99％の転送精度を達成

今回の研究では、2基の超伝導プロセッサ「IBM Quantum Nighthawk R1」を、極低温環境を保つ希釈冷凍機の内部で接続した。連結には「l-coupler」と呼ばれる80センチメートルのアルミニウム製同軸ケーブル4本を使用している。この機構はケーブル本体やチップ上の接続部位である「l-qubit」、調整可能カプラー、制御装置で構成され、冷凍機内にプロセッサを設置した後に配線できる仕組みとなっている。

実験の結果、エネルギー保持能力を示す内部品質係数は94万に達した。チップ間の量子状態転送では最大99.3%、平均99%という忠実度を記録し、平均して99%の確率で情報が正しく転送されることを確認した。さらに、モジュール間をまたぐ制御Z（CZ）ゲートを構成し、4系統の平均で94.75%の2量子ビットゲート忠実度を達成した。2本のカプラーを同時に使い、プロセッサ間で独立した量子もつれ状態を生成することにも成功している。超伝導量子プロセッサ間を複数の長距離伝送路で結び、平均99%の転送忠実度を示したのは世界初だとしている。

誤り耐性を持つ次世代機への展開

IBMは今年初めに発表したモジュラー型極低温プラットフォームを活用し、この接続技術を耐障害性を持つ次世代プロセッサ「IBM Quantum Starling」やそれ以降のシステムへ拡張していく方針だ。今後はカプラーの着脱を容易にしながら歩留まりや再現性の向上を図り、エラー率を低減させることで、大規模な量子誤り訂正コードの実装を進める計画である。