前回に引き続き、2019年度の9号目のネイチャーのハイライトより。
量子物理学：量子誤り訂正のための連続変数符号化
Nature 566, 7745
2019年2月28日
確実でロバストな量子情報処理には、雑音などの有害な影響に起因する誤りを訂正する能力が必要である。量子誤り訂正は、2準位系である論理量子ビット（キュービット）のそれぞれを、多数の2準位量子系か単一の高次元系の2つの形のいずれかをとるより次元の高い系にする符号化に依存している。後者の例は、位置変数の固有状態に基づいて「自然」に符号化される調和振動子で与えられる。今回C Flühmannたちは、捕捉したカルシウムイオンの調和運動の変位したスクイーズド状態の重ね合わせを使って、単一の論理キュービットの符号化、操作、読み出しを実証している。この論文で検討された特定の符号化は、その提案者Gottesman、Kitaev、PreskillにちなんでGKPと名付けられているが、実験的な実現の成功はこれまで報告されていなかった。著者たちは、今回の系では量子誤り訂正をまだ行っていないが、量子誤り訂正への有望な経路と思われるものを特定した。
News & Views p.460
Letter p.513
日本語版本誌では、「量子物理学：量子ビットを符号化して用いる新たな方法」と題されています。
見出しにおいては、「量子コンピューターには、環境雑音からコンピューテーションを保護するための制御された符号化が必要である。今回、無限次元量子系と呼ばれるものを用いた2つの実験によって、こうした符号化が実現された。」と取り上げられました。
※今回の本論文は、これに取り上げられた2つの論文のうちの1つです。（もう1つの論文は前回の記事です）
フルテキストを直訳しますと・・・
量子情報をエンコードおよび操作する有望な方法
となり、見出しを直訳しますと・・・
量子コンピューターでは、環境ノイズから計算を保護するためにエンコードを制御する必要があります。無限次元の量子システムとして知られているものを使用して、2つの実験でこのようなエンコードを実現しました。
となります。本論文を直訳しますと・・・
ノイズの多い環境で情報を送信または操作するには、通常、何らかの形式のエンコードとエラー修正が必要です。情報が古典的な物理システムによって運ばれるときにこれらの予防措置が必要な場合、キャリアが壊れやすい量子システムである場合にはさらに重要です。ただし、量子力学の法則により厳しい制約が課されるため、量子エンコードは難しいことで有名です。たとえば、単一の量子オブジェクトをコピーできないため、単純なエンコードスキームが妨げられます。その結果、エラー訂正に必要なエンコードされた量子システムの操作が非常に複雑になります。 Natureの2つの論文で、Flühmannet al.[1]およびGao et al.[2]は、それぞれ、閉じ込められたイオンの運動状態と超伝導キャビティ内の複数の光子の状態を使用して、量子情報をエンコードおよび操作する有望な方法を報告しています。
量子システムは、その特徴を正確に記述するために必要なパラメーター空間の次元に応じて、2つのカテゴリーに分類できます。一方では、有限次元を必要とする量子特徴があります。一例として、電子の磁気モーメントがあります。これは2つの区別可能な状態しかないため、2D空間で表されます。このような機能は離散変数と呼ばれ、本質的にデジタルです[3]。一方、量子調和振動子の位置など、無限に多くの識別可能な状態を持つ量子的特徴があります。これは、バネに懸架された質量の量子力学的バージョンです。これらの機能は連続変数と呼ばれ、本質的にアナログです[4]。
インターネットを介したデータの送信からデータ分析まで、従来の情報は堅牢なデジタルエラー訂正方式が存在するため、通常はデジタル形式でエンコードされます。したがって、量子情報に関しては、量子ビット（qubit）と呼ばれる2状態システムなどの離散変数システムを考慮するのが自然です。このアプローチは、過去数十年で十分に研究されてきました。ただし、エラー訂正は依然として挑戦的であり、最終的には単一の論理キュービット（プログラミングに使用できるキュービット）を多くの物理キュービット（実際のキュービットの実装）に適切にエンコードする必要があります。言い換えれば、空間の次元を拡大する必要があり、離散変数システムの選択はそれほど明白ではないことがわかります。
したがって、多くの離散変数システムではなく、単一の連続変数システムによって提供される無限次元空間に論理キュービットをエンコードするためのさまざまな方法が提案されています。有名な連続変数エンコーディングは、2001年に提案されたGottesman–Kitaev–Preskill（GKP）スキーム[5]です。このスキームの重要な特徴は、ほとんどのエンコードされた操作（論理キュービットの操作）が、一般的に、簡単に実装できます[6]。ただし、GKPでエンコードされたキュービットを生成する方法はわかりにくい。 Flühmannと同僚は、GKPでエンコードされたキュービットに似た状態の量子調和振動子を準備することで、この試みに成功しました。彼らは、電磁トラップの一軸に沿って自由に振動する原子イオンの形の発振器で構成されるアーキテクチャを使用しました。
著者のテクニックには2つのステップが含まれます（図1a）。まず、エネルギー損失を利用してイオンの動きの不確実性を減らす技術を使用して、トラップ内の明確な位置を持つ動きの状態にイオンを閉じ込めます[7]。第二に、レーザーパルスを使用して一連の測定が行われ、その後、イオンはトラップの特定の領域でグリッドに似た非局在化されます。フルーマン他これらのグリッド状態がGKPエンコードされたキュービットの適切な近似であることを証明することができました。重要なことに、彼らはそのようなエンコードされた状態が自由に操作され、87〜97％の忠実度（量子状態の類似性の尺度）を達成できることを発見しました。
前述のように、GKPエンコードが唯一のオプションではなく、手元のシステムに応じて、より便利な他のスキームが存在します。したがって、エンコードに依存しない操作を使用して論理キュービットを操作できることが望ましい。このような操作の例は、2016年に提案された指数SWAPゲート[8]（2つの論理キュービットを交換する操作の指数関数）です。指数SWAPゲートの重要な機能は、任意のアルゴリズムを繰り返し実行できることです。単一の論理キュービットのみに作用する他の操作と間隔を空けて、操作を使用します。 Gaoと同僚は、マイクロ波場を含み、トランスモンと呼ばれる超伝導電気部品を使用して結合および測定される超伝導空洞で構成されるアーキテクチャで、指数SWAPゲートを実現しました。
著者の実験では、論理キュービットは、2つのキャビティ（別の無限次元システム（図1b））の複数の光子の状態でエンコードされます。 Gao等。 2つの異なるエンコーディングを実現しました。フォトンの数に基づくFockエンコーディング。コヒーレント状態エンコーディング。コヒーレント状態と呼ばれる特定の量子状態の重ね合わせ（合計）を使用します。特に、後者のエンコーディングは、物理的構成要素のいずれかを単独で使用して達成可能なものを超えて、論理キュービットの寿命を延ばすことが以前に示されていました[9]。寿命を延ばすために開発された実験技術に基づいて、Gaoと同僚は、2つのキャビティ間で光子の制御された交換を実装することにより、指数SWAPゲートを実証しました。重要なことに、この操作は決定論的であり、Fockエンコーディングとコヒーレントステートエンコーディングの両方で動作し、それぞれ85％と60％の忠実度に達します。
これらの2つの実験は、連続変数を使用した量子計算の2つの基礎を示しています。GKPエンコードされたキュービットと指数SWAPゲートです。現在の設定がまだ完全なエラー訂正スキームに必要な品質に達していない場合でも、それらはこの目的に向けた主要なステップを表します。特に、エンコードされたキュービットの寿命を延ばし、多くのレベルのエラー訂正を連結できるようにするために、改善が必要です。実験の一般的な特徴は、補助的な離散変数システムを使用して連続変数を操作することです。したがって、原則として、両方の実験のパフォーマンスを改善するために、ハイブリッド連続スキームと離散スキームを考案することができます[10]。
となります。
フルテキストは下記です。
Full Text：News & Views p.460
Promising ways to encode and manipulate quantum information
もう1つの論文においては、日本語版本誌では、「物性物理学：擬一次元ビスマスヨウ化物における「弱い」トポロジカル絶縁体状態」と題されています。
フルテキストを直訳しますと・・・
閉じ込められたイオン機械振動子でのキュービットのエンコード
となり、Abstractを直訳しますと・・・
量子コンピューターの安定した動作は、情報の単一量子ビットがより大きなシステムのヒルベルト空間に冗長に格納されるエラー修正に依存します。このような符号化されたキュービットは、多くの物理キュービットの配列に一般的に基づいていますが、高調波発振器[1,2,3]などの単一の高次元量子システムを使用して実現することもできます。このようなシステムでは、位置固有状態の周期的に間隔を空けた重ね合わせに基づいて強力なエンコーディングが考案されました[4,5,6]。このような状態への近似を実現するためのさまざまな提案がなされてきましたが、これらはこれまでのところ届きませんでした[7,8,9,10,11]。ここでは、単一のトラップされた40Ca +イオンの調和運動の変位スクイズド状態の重ね合わせを使用して、エンコードされたキュービットを示し、補助的な内部状態キュービット[12]に結合することにより機械振動子を制御および測定します。 87.3±0.7％の平均二乗忠実度で論理状態を準備および再構築します。また、プロセストモグラフィーを使用して分析するユニバーサル論理単一キュービットゲートセットを示します。パウリのゲートの場合、プロセスの忠実度は約97％に達しますが、連続回転の場合、ゲートのテレポーテーションを使用して約89％の忠実度を実現します。この制御方法は、離散変数と連続変数の両方を使用したハイブリッド変数情報スキームだけでなく、連続変数エラー訂正を探索するルートを開きます[13]。コードの状態は、量子センシングにも直接適用され、位置と運動量の両方で小さな変位を同時に測定できます[14,15]。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：Letter p.513
Encoding a qubit in a trapped-ion mechanical oscillator
Data availabilityによりますと・・・
このペーパー内のプロットをサポートするデータおよびこの調査の他の調査結果は、リクエストに応じて対応する著者から入手できます。
究極になたりに溜まったネイチャー。次回は、「物性物理学：「弱い」トポロジカル絶縁体」を取り上げます。
※昨日より体調不良で、巡回等・ブログ活動が大変遅れております。本当に申し訳ございません。
