Qubitの実装法と長短所とRuntimeエラー

エラー訂正を書こうと思ったけど、一応Qubitの実装とそれぞれの長短所と起こりやすいエラーをまとめておこうと思う。

Qubitの主な実装法は、

• 超伝導型
• Ion Trap型
• 光子型
• 中性原子型
• 半導体型

それぞれについて簡単な説明と長短所と典型的なruntimeのエラーをまとめる。これは大部分Copilotを利用した。その部分は「デス・マス」で表記。しかし、考察的な話は筆者の意見。

超伝導型

概要

超伝導量子ビットは、量子コンピューティングで使用される魅力的なタイプの量子ビットです。これらの量子ビットは、人工原子として機能する超伝導回路を使用して機能します。これらの回路の中心にあるのは、ジョセフソン接合です。これは、抵抗なしで電流を流すことができる超伝導デバイスです。超伝導量子ビットは、超伝導を維持し、熱ノイズを最小限に抑えるために、絶対零度に近い極低温で動作するように設計されています。

超伝導量子ビットには、トランスモン量子ビット、フラックス量子ビット、位相量子ビットなど、さまざまなタイプがあります。たとえば、トランスモン量子ビットは、比較的シンプルな設計と優れたコヒーレンス時間のために広く使用されています。以前の設計と比較して電荷ノイズの影響を受けにくいため、より堅牢です。フラックス量子ビットは磁束を使用して量子状態を制御し、通常は外部磁場を必要とします。一方、位相量子ビットは、ジョセフソン接合の位相差を使用して量子情報を格納します。

超伝導量子ビットには、高い忠実度とスケーラビリティなど、いくつかの利点があります。正確な量子計算に不可欠な高いゲート忠実度を実現できます。さらに、この技術は比較的成熟しており、一貫性と制御を維持しながら量子ビットの数を増やすための継続的な取り組みが進められています。もう 1 つの大きな利点は、既存の半導体技術と統合できるため、従来のコンピューティング インフラストラクチャと互換性があることです。

これらの量子ビットは、Google、IBM、Rigetti Computing などの大手企業が開発したさまざまな量子コンピューティング プラットフォームで使用されています。暗号化、最適化、量子システムのシミュレーションなど、幅広い用途があり、量子技術の進歩における汎用性と可能性を示しています。

長所

• 高速ゲート操作: 通常はナノ秒単位で操作を実行します。複雑な量子アルゴリズムに最適です。
• スケーラビリティ: 確立された半導体製造技術を活用しているため、スケールアップが容易です。
• 統合: 既存の従来の制御エレクトロニクスと統合できます。

短所

• 短いコヒーレンス時間: 一般的にマイクロ秒からミリ秒に制限され、量子情報処理に影響します。
• 極低温冷却: 超伝導を維持するために極低温 (絶対零度に近い) が必要であり、複雑さとコストが増加します。
• 複雑な制御システム: 複雑な制御システムが必要であり、実装と操作の難易度が増します。

採用ベンダー

IBM、Google、Rigetti、富士通・理化学研究所

典型的なruntimeのエラー

• 漏れエラー: 量子ビットが非計算状態に漏れる。
• 宇宙線誘発エラー: 高エネルギー粒子からの相関エラー。
• 準粒子生成: エラー率の一時的な急増。
• 非マルコフノイズ: メモリ効果のあるノイズ。
• 電子機器の欠陥: 制御コンポーネントの欠陥。

Ion Trap型

概要

イオントラップ型量子コンピュータは、電荷を帯びた原子であるイオンを量子ビットとして使用します。これらのイオンは、通常イオントラップと呼ばれる装置内で電磁場を使用してトラップされ、停止されます。量子情報はこれらのイオンの内部エネルギー状態に保存されます。その仕組みを詳しく説明します。

イオンはレーザービームを使用して操作され、異なるエネルギー状態間の遷移を誘発します。これらの遷移を注意深く制御することで、量子ゲートを実装できます。これらのゲートは量子ビットに対して操作を実行し、複雑な量子計算を可能にします。量子ビット間の相互作用は電界と磁界を使用して制御され、量子アルゴリズムに不可欠なエンタングルメントやその他の量子操作を実行できます。

イオンは、熱振動を最小限に抑え、コヒーレンス時間を最大化するために、非常に低い温度に冷却されます。これは通常、レーザー冷却技術を使用して実現されます。一度トラップされ、冷却されると、イオンは比較的長い期間コヒーレント状態を維持できます。これは、信頼性の高い量子計算にとって重要です。

イオントラップ量子コンピュータは、高精度と低エラー率で知られており、スケーラブルな量子コンピューティングの有望な技術となっています。IonQ や Quantinuum などの企業は、イオントラップ量子コンピュータの開発の最前線に立っており、この技術で実現可能なことの限界を押し広げています。

長所

• 長いコヒーレンス時間: 多くの場合、数分を超えるため、量子計算を長時間実行できます。
• 高い忠実度: 量子状態を正確に操作することで、ゲートと測定の忠実度が高くなります。
• 室温に近い動作: 室温に近い温度で動作できるため、冷却要件が簡素化されます。
• 個別制御: レーザー ビームにより、各イオンを正確に制御および操作できます。
• 低いエラー率: 通常、他の量子ビット タイプと比較してエラー率が低くなります。

短所

• スケーラビリティの問題: 多数のイオンの管理と制御はますます複雑で困難になっています。
• ゲート操作の低速化: ゲート操作は他の量子ビット技術に比べて遅くなる可能性があり、計算速度に影響します。
• 複雑なセットアップ: 正確なトラッピングと操作技術が必要で、セットアップがより複雑になります。
• レーザーの安定性: レーザー システムの安定性と精度に大きく依存します。
• リソース集約型: 効果的に維持および操作するには、膨大なリソースと専門知識が必要です。

採用ベンダー

IonQ、Quantinuum

典型的なruntimeのエラー

• イオン運動の加熱: 高い加熱率により操作が中断されます。
• クロストーク エラー: 量子ビット間の相互作用によりエラーが発生します。
• レーザーの不安定性: レーザーの強度または周波数の変動によりエラーが発生します。
• 電界ノイズ: 電界の変動により位相ずれが発生します。
• 光子の散乱: 操作に使用される光子の散乱によりエラーが発生します。

光子型

概要

フォトニックベースの量子コンピューターは、光の粒子である光子を量子情報処理の量子ビットとして利用します。これらのシステムの背後にある基本原理は、偏光、位相、経路などの光子の量子特性に情報をエンコードすることです。これらの特性により、光子は重ね合わせ状態で存在でき、0 と 1 の両方を同時に表すことができます。この特性は、複数の計算を並行して実行して計算能力を大幅に向上できるため、量子コンピューティングにとって極めて重要です。

フォトニック量子コンピューターのコアコンポーネントには、量子操作に必要な個々の光子を生成する単一光子源が含まれます。ミラー、ビームスプリッター、位相シフターなどの線形光学要素を使用して光子を操作し、さまざまな量子ゲートと操作を実行します。次に、光子検出器が処理後の光子の状態を測定し、量子計算の結果を提供します。

フォトニック量子コンピューターの大きな利点の 1 つは、極低温を必要とする他の多くの量子コンピューティングシステムとは異なり、室温で動作できることです。さらに、フォトニック システムはスケーラビリティの可能性を秘めており、時間多重化などのアーキテクチャを使用して数百万の量子ビットまで拡張できます。もう 1 つの注目すべき利点は、既存の通信インフラストラクチャとの統合です。これにより、強力な量子ネットワークや量子インターネットの開発が可能になります。

これらの特性により、フォトニック量子コンピューターは量子通信、量子暗号化、量子シミュレーションのアプリケーションに特に適しています。Xanadu などの企業はフォトニック量子コンピューティング技術の開発をリードしており、量子ハードウェアへのクラウドベースのアクセスを提供し、研究者が量子科学の新たな領域を探索できるようにしています。

長所

• 室温での動作: 極低温冷却を必要とする他の多くの量子ビットタイプとは異なり、フォトニック量子ビットは室温で動作できるため、インフラストラクチャが簡素化され、コストが削減されます。
• 長距離通信: 光子は光ファイバーまたは自由空間を最小限の損失で移動できるため、量子鍵配布や量子インターネットの開発などの長距離量子通信に最適です。
• 高速: 光子は光速で移動するため、非常に高速な量子操作とデータ転送が可能になり、迅速な処理を必要とするアプリケーションに不可欠です。
• 環境ノイズに対する固有の耐性: 光子は磁場などの環境障害の影響を受けにくく、デコヒーレンスの可能性が低くなります。
• スケーラビリティの可能性: 統合フォトニクスと光学コンポーネントの進歩により、複数のフォトニック量子ビットを 1 つのチップに統合するスケーラブルな量子システムの可能性がサポートされます。

短所

• 光子損失: 伝送中または光学コンポーネント内での光子損失はエラーを引き起こし、量子演算の効率を制限する可能性があります。
• 検出の課題: 光子の状態を正確に測定するには高精度の検出器が必要であり、これらの検出器の非効率性はエラーにつながる可能性があります。
• 干渉と位相エラー: 光子は位相ノイズと干渉の影響を受けやすく、量子演算を妨害してパフォーマンスを低下させる可能性があります。
• エンタングルメントの複雑さ: 複数の光子のエンタングルメント状態を高い忠実度で作成および維持することは複雑であり、正確な制御が必要です。
• リソース集約型: 高品質の光学コンポーネントと正確な調整が必要であり、システムの複雑さとコストが増加する可能性があります。

採用ベンダー

Xanadu Quantum Technologies、PsiQuantum

典型的なruntimeのエラー

• 光子損失: 伝送中または光学コンポーネント内での光子損失。
• 検出エラー: 検出器の非効率性による光子検出の不正確さ。
• 位相エラー: 位相の不安定性と干渉によって生じるエラー。
• マルチ光子コンポーネント: 単一光子が予想される場所に複数の光子が存在することで生じるエラー。
• 光学コンポーネントの欠陥: ビームスプリッター、波長板、その他の光学要素の欠陥。

中性原子型

概要

中性原子ベースの量子コンピュータは、中性原子を量子情報処理の量子ビットとして使用します。詳細は次のとおりです。

中性原子はレーザーを使用して捕捉および操作され、レーザーは原子を所定の位置に保持するための光学ポテンシャルを生成します。これらの原子は通常、レーザー冷却技術を使用して極低温に冷却され、動きを最小限に抑え、コヒーレンス時間を最大化します。量子ビットは原子のエネルギーレベルにエンコードされ、レーザーを使用して原子をさまざまなエネルギー状態に励起することで量子操作を実行します。

中性原子量子コンピュータの主な利点の 1 つは、スケーラビリティの可能性です。原子は大きな配列に配置でき、個々の原子は光ピンセットと呼ばれる集束レーザービームを使用してアドレス指定できます。これにより、ユニバーサル量子計算に不可欠な単一量子ビットゲートと 2 量子ビットエンタングルメントゲートを実装できます。

中性原子量子コンピュータは、高エネルギーのリュードベリ状態に励起されたときの原子間の強い相互作用、つまりリュードベリ遮断と呼ばれる現象からも恩恵を受けます。これにより、高速で信頼性の高い量子ゲートの実装が可能になります。

QuEra、Atom Computing、Pasqalなどの企業は、中性原子ベースの量子コンピュータを積極的に開発しており、最適化、シミュレーション、量子通信などのさまざまなアプリケーションでそのスケーラビリティと精度を活用することを目指しています。

長所

• スケーラビリティ: 数百個の原子からなる大規模な配列を形成できるため、大規模な量子システムが容易になります。
• 長いコヒーレンス時間: 低エネルギーの原子状態は磁場の影響を受けにくく、量子情報をより長く保存できます。
• 柔軟性: 光ピンセットにより、個々の原子を正確に制御および再配置できます。
• 室温での動作: 室温近くで動作できるため、冷却要件が簡素化されます。
• 強力な相互作用: リュードベリ状態を使用すると、強力で調整可能な量子ビット相互作用が可能になります。

短所

• 精度要件: レーザーの強度と位置を極めて正確に制御する必要があり、複雑でリソースを大量に消費する可能性があります。
• 複雑なセットアップ: 光ピンセットとレーザー冷却システムのセットアップと保守には、高度な技術と専門知識が必要です。
• 環境に対する感受性: コヒーレンス時間が長いにもかかわらず、中性原子は環境ノイズや変動の影響を受ける可能性があります。
• 冷却の必要性: 他の量子ビットよりも高温で動作できますが、それでも非常に低い温度に冷却する必要があります。

採用ベンダー

Infleqtion、Pasqal、Atom Computing、QuEra

典型的なruntimeのエラー

• クロストーク エラー: 密集した量子ビット間の相互作用。
• レーザー不安定性: レーザー制御の変動によりエラーが発生します。
• 電界ノイズ: 電界変動による位相ずれ。
• 光子散乱: 操作に使用される光子の散乱によるエラー。
• 読み出しエラー: 測定プロセス中に発生する問題。

半導体型

概要

シリコンベースの量子コンピュータは、量子情報の基本単位である量子ビットを作成するための材料としてシリコンを使用します。詳細な説明は次のとおりです。

シリコンベースの量子コンピュータは、従来のコンピューティングで使用されている確立された半導体製造技術を活用します。これらのシステムの量子ビットは通常、シリコンスピン量子ビットであり、シリコンに閉じ込められた個々の電子のスピンを使用して量子情報を保存します。これらの量子ビットは非常に小さいため、他の種類の量子ビットと比較して非常にスケーラブルです。

このプロセスでは、高度なリソグラフィー技術を使用して量子ドット（電子が閉じ込められる小さな領域）を作成します。電界と磁界を適用することで、研究者はこれらの電子のスピン状態を制御して量子操作を実行できます。シリコンを使用すると、量子コンピューティング要素を既存の従来の電子機器と統合できるため、両方の長所を組み合わせたハイブリッドシステムを実現できる可能性があります。

シリコンベースの量子コンピュータの主な利点の 1 つは、高い忠実度と長いコヒーレンス時間です。これらは、正確な量子計算に不可欠です。シリコンの精製と量子ビット制御の改善における最近のブレークスルーにより、シリコンベースの量子コンピューティングは実用的なアプリケーションに近づいています。

インテルなどの企業やプリンストン大学などの研究機関は、シリコンベースの量子コンピュータの開発の最前線に立っており、高度な量子コンピューティング アプリケーションにシリコンのスケーラビリティと精度を活用することを目指しています。

長所

• スケーラビリティ: 確立された半導体製造技術を利用し、多数の量子ビットを生産することが可能です。
• 統合: 従来の電子部品と統合できるため、既存の技術インフラストラクチャにシームレスに統合できます。
• コヒーレンス時間の延長: 進行中の研究開発により、コヒーレンス時間を延長できる可能性があります。
• 冷却要件の簡素化: 超伝導量子ビットよりも高い温度で動作できるため、極端な冷却の必要性が軽減されます。
• 高忠実度: 電子または核スピン状態の使用により、量子情報をエンコードするための堅牢なプラットフォームが提供されます。

短所

• デコヒーレンス: 電界や磁界などの環境ノイズに敏感で、量子情報の損失を引き起こす可能性があります。
• 電荷ノイズ: 電気環境の変動により、量子ビットの状態にエラーが発生する可能性があります。
• スピンノイズ: スピン環境の変動により、コヒーレンスが影響を受け、エラーが発生する可能性があります。
• 製造のばらつき: 製造プロセスの違いにより、量子ビットのパフォーマンスに不一致が生じる可能性があります。
• 制御の複雑さ: 量子ビットの状態を正確に制御する必要があり、高度な技術と専門知識が求められます。

採用ベンダー

Intel、Silicon Quantum Computing、日立

典型的なruntimeのエラー

• デコヒーレンス: 環境ノイズによる量子情報の損失。
• 電荷ノイズ: 量子ビットの状態に影響を与える電気環境の変動。
• スピンノイズ: スピン環境の変動がエラーの原因。
• 製造のばらつき: 製造における不一致がパフォーマンスのばらつきにつながる。
• 制御エラー: 量子ビット操作の制御メカニズムの不完全性。

エラー訂正への考察

明らかに同じQubitと言っても、実行時に起きる典型的なエラーは実装毎に異なる。また、大まかな実装方法（例えば、superconductor）が似通っていても、異なったベンダー（例えば、IBMとGoogle）のQubitを比較すると、実際起きやすいエラーは異なることが多い。つまり、今の技術の段階では、ベンダー毎にエラー訂正の方法が必要だ。以下の図では実装特定エラーと記している。将来的に1つか2つ程度の実装方式になるように思うが。それは別問題。

以下の図がどの程度正しいかどうかわからないけれど、一口に物理Qubitと言っても、1つの物体を示してこれがQubitとは言えない。いくつかの部品から成り立っている。

エラーとエラーの関係

観測できるエラーはそのエラーを引き起こすもっと他のエラーもあるはずで、そのエラーの階層（hiearachy）を示したいと思うけれど。それはきっとQubit実装法によって異なるのだろう。とエラーの関係はどうなってるのか。あるエラー（Aと呼ぶ）は、複数のエラー（B、C、D）が重なった時にのみ起こる場合もある。そうすると、Aを起こさないためには、B、C、Dを起こさなければ良い。更に、それぞれ、B、C、Dは他の理由によるまも知れない。例えば、熱、電磁波、宇宙線、材料の不備など。

一例として、Decoherenceを考えみる。このエラーの原因は以下の様なもので、大いにQubit実装法による。

• 環境からのノイズ（熱、近隣の粒子、電磁波、光子、宇宙線など）
• 材料の問題

では、Decoherenceはどんなエラーを引き起こすかというと、

• Bit-flipエラー
• Phase-flipエラー
• Gateエラー
• 計測エラー

全てのエラー関係を表しているわけではないが、これを図にすると

エラー間の関係は複雑だ。これ以上あまり解析する気はないが、上の図である１つのエラーであるBit-Flipを引き起こすエラーのhiearachyを考えてみた。

特にコメントはないが、これは非常に混み行っているなと思う。きっとまだ幾つも細かいエラーが落ちているだろう。また、これは比較的一般的なエラーの関係なんで、それぞれ異なった実装だと、また異なった図になるんだろう。まあ、これはそれぞれの専門家に任して。。。

最後に

エラー訂正とあちこちの記事に書いてあるけれど、具体的にはどうなのか。Qubitの実装に応じてエラーの種類も違うので、その訂正方法も異なるだろう。何回も言うけれど、見出しレベルの軽い記事ではそれはわからない。難解な論文を読んで、「はっはーん」と分かるには専門的な知識を必要とする。その中間辺りの説明が欲しい。なかなかないので、自分で書いてみた。

次のブログではいよいよ、エラー訂正について書いてみる。

蛇足

既知の様に、ChatGPTであれ、それをベースにしているCopilotであれ質問の仕方でかなり回答が異なる。今回の利用は全て英語で聞き、回答をわざわざGoogle Translateで翻訳した。日本語で聞くとどうも回答に幅がない様に感じるからだ（なんたる、婉曲、嘘っぱちだと言え）。日本語で、「日本で量子コンピューターを製造した会社はあるか」と聞くと、「日本では、研究・開発を促進しているが、特にない。」との回答。「富士通と理化学研究所はどうだ」と聞くと。「よくやっている。」と回答。

それで、富士通の「富士通の量子コンピュータ研究開発の最前線」の記事を提示したら。「そうだ、富士通はやってる」と回答。「だったら、最初の回答は間違いだったな」と指摘すると、「一般的すぎたな」と返答。プログラムと喧嘩する馬鹿馬鹿しさ。

まだやる勇気はないが、このブログの要点、Qubit実装の種類、概要、長所、短所、それぞれのruntime エラーをまとめたブログを書いてくれとCopilotに依頼したら、どうなるのか。これよりもっと優れたものができるのだろう。ああーーー嫌になる。。。。。