物理量子ビットと論理量子ビット

量子コンピューティングでは、量子ビットは古典コンピューティングのビット（2進数）に類似した情報単位ですが、重ね合わせやエンタングルメントなどの量子力学的特性の影響を受け、一部のタスクでは古典的なビットよりも強力になる場合があります。量子ビットは、量子論理ゲートで構成される量子回路や量子アルゴリズムで計算上の問題を解決するためのもので、入出力や中間計算に使用されます。

物理量子ビットは、 2状態量子システムとして動作する物理デバイスであり、コンピュータシステムのコンポーネントとして使用されます。^{[1] [2]}論理量子ビットは、量子アルゴリズムまたは量子回路^[3]で指定されたとおりに動作し、ユニタリ変換の対象となり、量子論理ゲートで使用できるほど十分に長いコヒーレンス時間を持つ物理または抽象量子ビットです（古典的論理ゲートの伝播遅延を参照）。^{[1] [4] [5]}

1998 年に最初の量子コンピュータが開発されて以来、量子ビットを実装するために使用されるほとんどの技術は、安定性、デコヒーレンス^{[6] [7] 、} フォールト トレランス^{[8] [9]} 、およびスケーラビリティ^{[6] [ 9]}の問題に直面しています。^[10]このため、量子回路またはアルゴリズムで単一の量子ビットと同じように論理的に動作するエンティティを生成するには、エラー訂正の目的で多くの物理量子ビットが必要になります。これが量子エラー訂正の対象です。^{[3] [11]}したがって、現代の論理量子ビットは通常、有用な計算を実行するために必要な安定性、エラー訂正、およびフォールト トレランスを提供するために、多くの物理量子ビットで構成されています。^{[1] [7] [11]}

2023年、Googleの研究者は、量子エラー訂正によって物理量子ビット数を増やすことで論理量子ビットのパフォーマンスを向上させることができることを示しました。^[12]この結果によると、より大きな論理量子ビット（49物理量子ビット）ではエラー率が低く、エラー訂正1ラウンドあたり約2.9％であるのに対し、より小さな論理量子ビット（17物理量子ビット）では約3.0％でした。^[13]

2024年、IBMの研究者は、これまでの研究よりも10倍効率的な量子エラー訂正コードを作成し、288量子ビットを使用して約100万サイクルのエラーチェックで12の論理量子ビットを保護しました。^{[14] [15]}この研究は、近い将来のデバイスでエラー訂正を行うと同時に、オーバーヘッド（エラーを低く抑えるために必要な物理量子ビットの数）を削減できることを実証しています。^[16]

2024年、マイクロソフトとクォンティナムは、大幅に少ない物理量子ビットで論理量子ビットを作成できることを示す実験結果を発表しました。^{[17]チームは、マイクロソフトとクォンティナムの}トラップイオンハードウェアによって開発された量子エラー訂正技術を使用して、30個の物理量子ビットを使用して4つの論理量子ビットを形成しました。科学者は、これを達成するために、量子ビット仮想化システムとアクティブシンドローム抽出（繰り返しエラー訂正とも呼ばれます）を使用しました。^[18]この研究は、量子計算内で論理量子ビットを実現する方法を定義します。^[19]

1ビットおよび2ビットの量子ゲート操作は普遍的であることが示されている。^{[20] [21] [22] [23]}量子アルゴリズムは量子回路としてインスタンス化することができる。^{[24] [25]}

論理量子ビットは、量子アルゴリズム内で単一の量子ビットがどのように動作するかを指定し、量子論理ゲートから構築できる量子論理演算の対象となります。しかし、現在の技術の問題により、物理量子ビットとして使用できる単一の2状態量子システムでは、この情報を確実にエンコードして、有用なほど長く保持することができません。そのため、スケーラブルな量子コンピューターを作成する現在の試みでは、量子エラー訂正が必要であり、複数の（現在は多数の）物理量子ビットを使用して、単一のエラー耐性のある論理量子ビットを作成する必要があります。使用するエラー訂正方式と各物理量子ビットのエラー率に応じて、単一の論理量子ビットは最大1,000個の物理量子ビットで形成される可能性があります。^[26]

量子力学におけるトポロジカル効果を利用するトポロジカル量子ビットのアプローチは、論理量子ビットあたりに必要な物理量子ビットの数を大幅に減らすか、1つで済むと提案されている。^{[10]トポロジカル量子ビットは、}半積分（フェルミオン）でも積分（ボソン）でもないスピンを持つエニオンと呼ばれる粒子のクラスに依存しているため、粒子の挙動に関するフェルミ-ディラック統計にもボーズ-アインシュタイン統計にも従わない。^{[27]エニオンは}世界線に編組対称性を示し、これは量子ビットの安定性にとって望ましい特性である。特に、スピン統計定理によれば、エニオンは2空間次元以下に制約されたシステムに存在する必要があり、3空間次元以上ではフェルミオンとボソンのみが可能となる。^[27]

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