高エネルギー状態が引き起こす量子エラーの調査(2/2)

調査研究

1.高エネルギー状態が引き起こす量子エラーの調査(2/2)まとめ

・粒子衝突によるエラーバーストは激しく拡散するため、誤り訂正機構で対応できない
・粒子自体を遮蔽する事は低温槽が巨大になるため現実的には実現が難しい
・チップ自体に手を加えて衝突の衝撃に耐えられるようにする事が一つの方向性

2.量子プロセッサのエラーの観察

以下、ai.googleblog.comより「Resolving High-Energy Impacts on Quantum Processors」の意訳です。元記事の投稿は2022年1月26日、Matt McEwenさんとLara Faoroさんによる投稿です。

宇宙線をイメージしたアイキャッチ画像のクレジットはPhoto by Pawel Czerwinski on Unsplash

粒子がチップに当たってもそのまま通り過ぎるのですが、基板を通過する経路に沿ってそのエネルギーの少量が堆積されます。これらの粒子からのわずかなエネルギーも、量子ビットにとっては非常に大きなエネルギーとなります。

粒子の衝突がどこで発生したかにかかわらず、エネルギーはフォノン(phonons)と呼ばれる量子振動を通じて、チップ全体に素早く広がっていきます。

このフォノンが量子ビットを構成するアルミニウム層にぶつかった時、フォノンは超伝導状態を壊すのに十分すぎるほどのエネルギーを持っており、準粒子を生成します。この時、多くの準粒子が生成されるため、量子ビットに相互作用する確率が非常に高くなります。

準粒子が量子ビットのエネルギーを吸収するため、チップ全体の誤差が急激に大きくなることがわかります。やがてフォノンが逃げてチップが冷えると、これらの準粒子は再結合して超伝導状態に戻り、量子ビットのエラーレートはゆっくりと通常状態に戻ります。


量子プロセッサの一部に高エネルギー粒子が衝突したときの様子(X軸が0ミリセコンドの箇所)
グラフ各量子ビットの誤差の時間変化を示しています。この事象は、チップ全体に急速に誤差を広げることから始まり、その後飽和し、ゆっくりと平衡に戻ります。

コンピュータを使い粒子を検出する

Sycamoreプロセッサは、量子エラー訂正(QEC:Quantum Error Correction)を行うことでエラー率を改善し、様々な量子アルゴリズムの実行を出来るように設計されています。

QECは、十分に稀で独立したエラーであれば、エラーを特定し緩和する効果的な方法を提供します。しかし、高エネルギー粒子がチップを通過する場合、事象が冷却されるまですべての量子ビットが高いエラー率となるため、QECでは修正できない相関エラーバーストが発生します。

QECを成功させるためには、まず、こうした衝撃事象がプロセッサ上でどのように見えるかを理解する必要があり、そのためには、プロセッサを粒子検出器のように操作する必要があります。

そのために、私たちは最近の量子ビット状態を整える技術と測定する技術の進歩を利用し、古典的コンピュータでビットを0から1に反転させるように、各量子ビットを素早く励起状態(excited state)に整えます。

その後、短い時間待ち、まだ励起状態であるかどうかを測定します。もし、量子ビットが正常に動作していれば、ほぼ全ての量子ビットがそうなっているはずです。さらに、励起状態から減衰する量子ビット間に相関関係はありません。つまり、何らかのエラーが発生した量子ビットはチップ上にランダムに分布することになります。

しかし、実験中に時折、チップ上のすべての量子ビットが突然一度にエラーを起こしやすくなる、大きなエラーバーストを観測することがあります。

この相関性を持つエラーバーストは、高エネルギー衝撃事象の明らかなサインです。また、チップ上のすべての量子ビットが事象の影響を受ける一方で、最も高いエラー率を示す量子ビットはすべて衝撃地点の周辺の「ホットスポット」に集中していることも分かりました。


高エネルギー衝撃を検出するために、励起状態の量子ビットを急速に準備し、少し待ってから、その状態が維持されているかどうかをチェックします。衝撃は相関するエラーバーストを発生させ、すべての量子ビットが著しく高いエラーレートを示すようになります。上記のX軸Times=8のあたりです。

次のステップ

これのエラーバーストは激しく、あっという間にチップ全体を覆ってしまうため、QECでは修正できない相関エラーの一種です。そのため、QECに依存することが予想される将来のプロセッサーにおいて、これらの事象を軽減する解決策を見つけることが非常に重要です。

これらの粒子に対する遮蔽は非常に難しく、通常、低温槽(cryostats)の慎重なエンジニアリングと設計、何メートルもの遮蔽が必要で、プロセッサのサイズが大きくなるほど現実的ではなくなります。

また、チップに手を加えるという方法もあります。これにより、相関性のあるエラーを広範囲に引き起こすことなく、衝撃に耐えられるようになります。これは、天体望遠鏡の検出器など、遮蔽が不可能な他の複雑な超伝導デバイスで採用されているアプローチです。

このような緩和策の例としては、チップに金属層を追加してフォノンを吸収させ、それが量子ビットに到達するのを防ぐことが挙げられます。他にもフォノンが長距離に広がるのを防ぐためにチップ内に障壁を追加する、準粒子用のトラップを量子ビット自体に追加する、などがあります。これらの技術を採用することで、将来のプロセッサーはこのような高エネルギーの衝撃に対してより強固なものになるでしょう。

量子プロセッサーのエラー率が下がり続け、エラー訂正された論理量子ビットの試作が進むにつれ、より外部からくるエラーに関する研究にますます力が注がれています。QECは多くの種類のエラーを修正する強力なツールですが、より困難な相関エラーの原因を理解し修正することは、今後ますます重要になると思われます。私たちは、高エネルギー衝撃に対応し、実用的な量子エラー訂正の最初の実験的実証を可能にする将来のプロセッサ設計に期待しています。

謝辞

この研究は、Google Quantum AI Team 全体、特にこの実験に使用した Sycamore プロセッサの設計、製作、設置、校正に携わった人々の貢献なしには実現しなかったでしょう。このプロジェクトを率いたRami BarendsとLev Ioffeに特別な感謝を捧げます。

3.高エネルギー状態が引き起こす量子エラーの調査(2/2)関連リンク

1)ai.googleblog.com
Resolving High-Energy Impacts on Quantum Processors

2)www.nature.com
Resolving catastrophic error bursts from cosmic rays in large arrays of superconducting qubits

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