アメリカの標準設定機関であるNIST、メリーランド大学（UMD）、カリフォルニア工科大学の研究者たちは、量子コンピューターに自身のエラーの多くを訂正させる方法があると確信しており、それが量子コンピューターの主要な設計課題の1つを克服するのに役立つだろう。
物理学者のサイモン・リュウ、ロン・ベリャンスキー、ジェレミー・ヤング、レックス・ランドグレン、ビクター・アルバート、そしてアレクセイ・ゴルシュコフは、火曜日にフィジカル・レビュー・レターズ誌に掲載された論文「開放型量子システムにおける対称性の破れとエラー訂正」で彼らの理論を説明した。
量子コンピュータは、量子システムの状態を表す量子ビット（キュービット）を用いて計算を行います。計算結果は、光子の偏光や電子のスピンなど、そのシステム内の素粒子の特性を測定することで導き出すことができます。
しかし、量子ビットは扱いが難しい。その管理は猫の群れを管理することに似ている。そのうちの一匹は、物理学者エルヴィン・シュレーディンガーが考案した有名な量子重ね合わせの思考実験で主役を演じ、もし本当に使われなくなったとしても、複数の光子状態の重ね合わせを表す「猫状態」という用語でその名が刻まれている。
「量子コンピュータではエラー訂正が特に重要です。効率的な量子アルゴリズムは大規模な量子干渉を利用しますが、これは脆弱であり、コンピュータの不正確さやコンピュータと外界との間の望ましくない結合に敏感だからです」とオックスフォード大学の物理学教授アンドリュー・マーティン・スティーン氏は、このテーマに関する2006年の論文[PDF]で説明しています。
「これにより、大規模な量子計算は非常に困難になり、誤り訂正方式を使用しない限り、事実上不可能になります。」
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量子コンピュータの研究者たちは、任意の1量子ビットのエラーを修正するために、軽減するノイズの種類に応じて、5量子ビット（ラフラム）から9量子ビット（ショア）の追加量子ビットが必要になると予測しています。そのため、実用的で汎用的な量子システムを動作させるために、現在の50～100量子ビットの量子コンピュータを100万量子ビット以上に拡張することは、容易ではありません。
マイクロソフトはこの問題へのアプローチとして、トポロジカル量子ビットを採用しています。トポロジカル量子ビットは従来の量子ビットよりも壊れにくいため、理論上はエラー訂正の必要性が低くなります。しかし、トポロジカル量子ビットには、他の画期的な技術に加えて、まだ開発されていない材料が必要です。
UMDとNISTの研究パートナーシップである共同量子研究所（JQI）と量子情報・コンピュータサイエンス共同センター（QuICS）の博士研究員であるサイモン・リュウ氏は、The Registerとの電話インタビューで、彼と彼の同僚は、すべてのエラーではないが、特定の種類のエラーを自己修正できる方法で光子キャットキュービットを使用することを提案していると語った。
光子猫量子ビットとは、例えば16個、18個、または20個の光子を持つ偶数状態と、例えば17個、19個、または21個の光子を持つ奇数状態を持つ量子ビットで、光子状態の重ね合わせが生じる。つまり、シュレーディンガーの実験における猫のように、観測されるまでは生きているか死んでいるか、あるいはこの場合は偶数か奇数かの状態にあると言える。
ここでの奇跡は、これらの光子量子ビットを使用することで、私たちが説明しているエラー訂正に追加の量子ビットを必要としないことである。
リュウ氏と彼の同僚たちは、これらの量子猫を群れとして制御し、潜在的な情報損失を補う方法を考案した。これは、2枚の鏡で構成された空洞を作り、光子を往復させることで、量子情報を表す干渉縞を作り出すというものである。この干渉縞は、入射光子がシステムから漏れ出る光子を置き換え、システムの情報を維持できるほど堅牢でなければならない。
「ここでの奇跡は、これらの光子量子ビットを使用することで、私たちが説明しているエラー訂正に追加の量子ビットを必要としないことです」とLieu氏は説明した。
リュウ氏はこの状況を、自立型のサンドバッグの動きに例えました。サンドバッグは一度打撃を受けるとぐらつき、最終的には平衡状態に戻ります。「私たちの研究は、様々なノイズ経路、つまりパンチの種類を分類し、それらを修正できる方法を示しています」と彼は述べました。
この技術は、ビット反転のような特定の種類のエラーには有効だが、他の種類のエラーには有効ではない。例えば位相反転の場合、訂正を行うには依然として冗長な量子ビットを追加する必要があると彼は述べた。しかし、この未実現の猫の扱いにおいては、必要なエラー訂正は少なくなる。
この技術により、任意の1量子ビットのエラーを修正するために必要なオーバーヘッド（修正に必要な追加の量子ビット）が3分の1に削減されると、リュウ氏は述べた。リュウ氏は、この理論を実証するための技術は手の届くところにあると述べ、光子キャット量子ビットを研究しているグループが複数あることを指摘した。
「材料はすべて揃っているので、あとはそれを組み合わせていくだけだ」と彼は語った。®
