目前，各個領域都在嘗試在實際應用中使用量子計算機，當前的量子計算機是以發生NISQ錯誤為前提設計的，但在未來，有望實現具有故障容許度量子計算能力的FTQC。但是相對於NISQ使用數十到1000量子位元而言，FTQC則需要100萬量子位元。
大阪大學教授藤井啟祐（左）和富士通量子研究所所長佐藤信太郎
大阪大學量子資訊與量子生命研究中心和富士通集團通過大幅降低對實現量子計算機至關重要的量子糾錯所需要的物理量子位元數，構建出了一個高效的相旋轉門量子計算架構，從而有望加速實現超越當前計算機性能的量子計算機。富士通量子研究所所長佐藤信太郎表示，「NISQ和FTQC之間存在四位數的量子位元差異。採用此次開發的架構，預估可以用1萬量子位元得到64個邏輯量子位元，進而實現早期FTQC。未來我們會將其導入理化學研究所已投入使用的國產量子計算機進行驗證。」
圖. 此次開發的量子計算架構示意圖（供圖：大阪大學）
FTQC利用大量的物理可用能位元進行糾錯，為了讓少量的邏輯閘能夠準確無誤地進行計算，需要超過100萬的物理量子位元。但目前的技術要實現這一點非常困難，據稱採用超導電路的方法，1萬量子位元就已經達到極限了。
為了使用基於邏輯閘的量子計算機進行計算，需要基本的CNOT、S、H和T量子門。其中，除了T門之外，其他邏輯閘具有即使用當前的計算機也可以輕鬆計算的構造，隻需少量的物理量子位元就能糾錯。但是，T門的量子糾錯需要大量的量子位元/量子門。這是因為T門和H門合作承擔著相旋轉的操作，要將相旋轉到任意相角θ，平均需要50次旋轉操作。
本次開發的高效相旋轉架構中，設置了相旋轉門來代替T量子門。之後對4個物理量子位元進行門操作，生成相角，檢查正誤後，如果有誤則要重新生成。生成的高精度相角被冗餘為邏輯量子位元。觀測旋轉的角度，如果是θ則成功，否則調整為二倍角重試。在這個方法中，平均兩次相旋轉即可以成功旋轉到θ。相較以往，物理量子位元數可減少至約1/10，量子門操作次數可減少至約1/20。此外，已驗證物理量子位元中的量子錯誤機率可以抑制到1/8左右。
在模擬達到1萬物理量子位元的量子計算機中，新架構可以組成64個邏輯量子位元。由此可以實現超過當前超級計算機巔峯性能的計算速度。
大阪大學量子資訊與量子生命研究中心的藤井啟祐教授表示，「最近，人們開始認識到早期FTQC的重要性。然而，靠現有的研究方法很難實現，改變架構是首次嘗試。沒有人知道如何實現100萬量子位元。在這種情況下，相較於用現有的量子計算技術競爭，寄希望於FTQC可能會更好。我認為為實現1萬量子位元而堅持推進研究是成功的關鍵。」
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
