大阪大學研究生院基礎工學研究科碩士研究生糸川智博、博士生高田侑吾、平野裕，以及藤井啟祐教授等人的研究團隊，成功構建了低成本蒸餾大規模數子計算機操作時不可或缺的「零級魔法態蒸餾法」。相關研究成果已發表在《Physical Review X Quantum》上。
圖1. 零級蒸餾詳細說明圖。①使用7量子位元編碼的蒸餾電路蒸餾魔法態；②通過表面編碼格子手術將獲得的狀態進行量子隱形傳態；③在表面編碼上製備魔法態。（供圖：大阪大學）
要快速解決素因數分解、量子化學計算等產業領域的重要問題，具備量子糾錯功能的故障容許度量子計算機不可或缺。而故障容許度量子計算機所需的，是一種被稱為「魔法態」的特殊量子狀態。
然而，製備魔法態需要消耗大量資源。首先需要用大量量子位元對量子資訊進行編碼，再執行蒸餾協議（邏輯級魔法態蒸餾）。該方法不僅需要大量量子位元數，魔法態供給速度也較慢，因此量子計算機必須配備專用的「魔法態工廠」。
研究團隊並未採用邏輯量子位元進行蒸餾，而是在物理量子位元層面（零級）構建了具備故障容許度能力的蒸餾電路，從而大幅降低了魔法態蒸餾的計算成本。結果表明，與邏輯級蒸餾相比，該方法所需量子位元數減少至原來的約1/10，計算步驟減少至原來的1/2。
藉助此次開發的「零級魔法態蒸餾法」，無需再設魔法態工廠，大幅減少了複雜計算所需的量子位元數和計算時間，為故障容許度量子計算機的早日實現帶來了希望。
研究團隊在學術會議上的發表引起了谷歌團隊的關注。谷歌團隊進一步改進並開發了「魔法態栽培」技術，通過應用該技術，素因數分解所需的物理量子位元數可減少至1/10，在海外產生了重大影響。
藤井教授表示：「本研究始於當時還是大四學生的糸川同學的畢業論文課題。研究完全從零開始，最初並未預料到能取得解決故障容許度量子計算機瓶頸問題的成果。但在高田同學的支持下，不受先入為主的束縛，通過自由構想與創新，最終收穫了重要成果。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Physical Review X Quantum
論文：Efficient Magic State Distillation by Zero-Level Distillation
DOI：doi.org/10.1103/thxx-njr6
