量子プロセッサのパフォーマンスはなぜ変動するのでしょうか? Googleが見つけた答えは、素材に欠陥があるということだ

量子プロセッサは最先端の研究テーマです。世界トップクラスの研究室や企業の研究機関が常に新たな進歩を遂げていますが、解決すべき問題はまだ数多く残っています。 Google の Quantum AI チームによる新しいブログ投稿では、量子プロセッサのパフォーマンス安定性の問題に関する新しい研究結果が紹介されています。

Google の量子 AI チームの研究方向の 1 つは、量子ビット (キュービット) を実現するための有望な候補である超伝導電子回路に基づく量子プロセッサを構築することです。超伝導回路は数十個の量子ビットを収容することができ、今年3月にGoogleが発表した72ビットの量子ビットプロセッサは世界トップクラスのコンピューティング性能とスケーラビリティを実証しましたが、量子プロセッサの性能をいかに安定させるかが未解決の課題となっています。実際、プロセッサの性能は変動し、予測不可能なのです。多くの超伝導量子ビットアーキテクチャでパフォーマンスの変動が観測されていますが、研究者たちはその原因をまだ理解しておらず、プロセッサパフォーマンスの安定性を向上させるための適切な改善もまだできていません。

今週、フィジカル・レビュー・レターズ誌は、グーグルの量子AIチームによる「超伝導量子ビットのエネルギー緩和時間の変動」と題する論文を掲載した。この論文では、研究者らが量子ビットを検出器として使用して環境を検出し、最終的にパフォーマンス変動の主な要因は材料の欠陥であることを発見した。彼らの実験方法は、量子ビットのエネルギー緩和時間 (T1) を調べることです。これは、量子ビットが励起状態から基底状態に緩和するのにかかる時間を測定する、一般的な性能評価指標です。エネルギー緩和時間は動作周波数と時間の関数です。

T1 測定プロセス中に、Google Quantum AI チームは、一部の量子ビットの動作周波数が他の量子ビットの動作周波数よりも大幅に低く、エネルギー緩和の危険な領域が形成されていることを発見しました (下図を参照)。彼らの研究によると、これらの危険ゾーンは材料の欠陥によって引き起こされ、その欠陥自体が新しい局所量子システムを形成し、その周波数が量子ビットの周波数と重なる（つまり共鳴する）と量子ビットからエネルギーを吸収するという。驚くべきことに、これらのエネルギー緩和の危険ゾーンは固定されておらず、危険ゾーンの分布は数分から数時間にわたるさまざまな時間スケールで変化することも発見されました。これらの観察に基づいて、Google Quantum AI チームは、パフォーマンスの変動に最も大きな影響を与えるのは、量子ビットとの共鳴を生成したり破壊したりする材料欠陥の周波数ダイナミクスであると結論付けました。

二次システムとして知られるこれらの欠陥は、一般に超伝導回路の材料の界面に存在すると考えられています。しかし、何十年も研究が続けられた後でも、その微視的な起源は研究者を困惑させ続けています。この研究で Google の Quantum AI チームが収集したデータは、量子ビットのパフォーマンスの変動の理由を明らかにするだけでなく、パズルの重要な部分である欠陥の動的特性の根底にある物理原理にも光を当てています。興味深いことに、熱力学の法則により、研究者たちはこれらの欠陥が存在することはわかっていたものの、それが何らかの動的特性を示すとは予想していませんでした。これらのエネルギーは量子プロセッサで使用される熱エネルギーよりも約 1 桁高いため、この時点では「凍結」されているはずです。現在、それらは凍結されていないことがわかっており、これはそれらの動的特性が、エネルギーがはるかに低く、量子プロセッサの熱エネルギーによって活性化できる他の欠陥との相互作用によるものである可能性があることを示唆しています。

研究者たちはこれまで、このような物質の欠陥は量子ビットよりも何百万倍も小さい原子レベルで発生すると信じていた。量子ビットを使用して単一の材料欠陥を検出できるという発見は、量子ビットが強力な測定ツールであることを示しています。明らかに、材料欠陥の研究は材料物理学における未解決の問題を解決するのに役立ちますが、驚くべきことに、今日の量子プロセッサのパフォーマンスを向上させるための直接的なインスピレーションも提供する可能性があります。実際、欠陥測定は現在、Google Quantum AI チームによってプロセッサの設計と製造に実装されており、数学的アルゴリズムでも使用されており、プロセッサの動作中に欠陥を回避するのに役立っています。 Google の量子 AI チームは、この研究がより多くの研究者に刺激を与え、超伝導回路の材料欠陥を研究するきっかけになることを期待しています。