NTT與名古屋大學和東京大學組成的研究團隊合作開發出了可在驅動超導量子電腦的極低溫環境下，滿足控制具有實用性規模量子電腦所需的能量消耗、安裝規模、速度和糾錯水平的量子糾錯方法，這在世界上還是首次。此次的成果有望爲目前各國競相開發的故障容許度量子電腦做出重要貢獻。
三方今後打算將研究成果的設計具體安裝到晶片上，透過實驗來證明量子電腦可以進行量子糾錯。另外，還打算以此次的成果設計爲基礎，使其支援由表面碼構成的邏輯量子位元運算機制，爲此將解決擴展等課題。
圖1：表面碼（圖片由NTT提供）
普通（經典）電腦的資訊單元——「位元」的值爲0或1，而量子電腦的資訊單元——「量子位元」除了0和1外，還可以是0和1的連續疊加態。量子電腦的一個特性是，可以利用這種疊加態同時執行位元值爲0和1的計算，但觀測量子位元時，這個值便會確定爲0或1，疊加態坍縮。
量子位元容易發生錯誤，量子電腦的計算需要糾錯，但因爲上述特性，無法透過直接觀測量子位元來調查是否存在錯誤。因此，研究人員提出了對具有不同作用的多個物理量子位元進行編碼，從而形成一個邏輯量子位元的框架——量子糾錯碼。
其代表之一就是表面碼。表面碼由有序排列的資料量子位元和用於觀測的輔助量子位元構成。資料量子位元用於表示邏輯量子位元的疊加態，不直接觀測。不過，輔助量子位元的觀測值會提示相鄰的資料量子位元發生的錯誤。根據這些提示確定資料量子位元實際發生的錯誤的類型和位置稱爲解碼。
這種表面碼的解碼處理被歸結爲圖形配對分組問題，將解決配對分組問題的普通電腦（稱爲解碼器）與量子位元組合起來就可以構建故障容許度的量子電腦。
目前已經有了幾種實施量子位元的方法，尤其是超導量子位元，由於整合潛力和設計自由度比較高，作爲量子電腦資訊單元的第一候選備受期待。這種超導量子位元存在必須在極低溫環境下工作的侷限，因此一般在冷凍機中工作。
而量子糾錯碼的解碼器一般在室溫下工作，因此在不同的溫度環境之間連接量子位元和解碼器的龐大布線成爲瓶頸，導致超導量子電腦的延伸性受到侷限。由於極低溫環境下容許的能量消耗非常小，所以在極低溫環境下運行普通解碼器是不現實的。
圖2：超導故障容許度量子電腦的構成，左邊是以往的方法，右邊是新提出的方法（圖片由NTT提供）
所以，此次研究團隊利用能以低功耗高速運行的單磁通量子（SFQ：Single Flux Quantum）電路，設計了可在極低溫環境下工作的表面碼解碼器。設計的解碼器能以足夠高的速度運行，可執行在量子位元發生錯誤後立即糾正以防止錯誤積累的線上解碼。利用該方法能減量不同溫度環境之間的佈線，大幅提高量子電腦的延伸性。另外，線上解碼還能改善量子位元的故障容許度性。
在此次的聯合研究中，東京大學負責研究演算法和晶片安裝設計，以及與量子位元佈線的可行性，NTT負責量子糾錯的理論整理和解碼器的性能評估，名古屋大學負責晶片安裝和安裝時的性能評估。
該研究思路中最重要的一點是，透過演算法和硬體層面的統合設計，利用SFQ電路構建了解碼器。考慮到表面碼解碼所需的處理的局部性，以及SFQ電路的特性，研究團隊研究了分散式處理方式的圖形配對分組演算法，並設計了執行這種演算法的解碼器。設計的解碼器不需要大規模記憶體，採用由支援各個輔助量子位元的簡單處理單位相互交換幾位元訊號的結構，能以低功耗運行，而且具有優異的延伸性。
另外，研究團隊還首次提出了可在現實環境中運行的同時觀測和解碼輔助量子位元的「線上處理式」解碼方式及具體的安裝。在超導量子電腦中，輔助量子位元的觀測處理以約1微秒的隔膜重複進行，而研究團隊提出的解碼器能在1微秒以内完成解碼處理，具備線上處理所需的高速性。
迄今爲止，可實際應用的大規模量子電腦的設計問題一直是構建量子電腦的最大課題。尤其是此次涉及的糾錯解碼器，在設計上需要實施能隨着量子電腦的規模增大而變得複雜的演算法進行高速處理，是整個量子電腦中最難設計的部分之一。
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
