量子物理科学：フォールトトレランスのための表面コードしきい値の超伝導量子回路

量子コンピューターは、脆弱な量子状態のエラーからの保護が必要であるという代償を払って、素因数分解、データベース検索、量子シミュレーションなどの難問を解くことができる。量子エラー訂正は、量子もつれにより、多数の物理量子ビット（キュービット）の間に論理状態を分配してこの保護を行う。この点で、超伝導は有用な現象である。それは、大規模量子回路の構築が可能で、微細加工に適合するからである。超伝導キュービットでは、最隣接結合し高速循環するもつれたゲートのみを用いているため、表面コード法による量子計算が、エラー訂正を行う自然な選択肢となる。要求されるゲート忠実度は大きくなく、ステップ当たりの忠実度しきい値は約99％にすぎない。本論文では、超伝導マルチキュービットプロセッサーにおける普遍的な論理ゲートセットを実証し、99.92％の平均単一キュービットゲート忠実度と最高99.4％の2キュービットゲート忠実度を実現している。これによって、ジョセフソン量子計算は表面コードエラー訂正のフォールトトレランスしきい値にある量子計算となる。我々の量子プロセッサーは、この表面コードを実現する最初のステップであり、最隣接結合を持つ直線状のアレイに配列された5個のキュービットを用いている。さらなる実証のため、完全な回路とゲート一式を使って、5キュービットのグリーンバーガー・ホーン・ツァイリンガー状態を構築した。こうした結果から、ジョセフソン量子計算は、高忠実度技術であることが実証され、大規模でフォールトトレラントな量子回路へ拡張する明確な経路となる。

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