量子ビットを狙いどおりに動かすには、その量子ビットの周波数に制御信号を合わせる必要があります。ところが、材料中の微小な欠陥などの影響で、周波数が突然、別の値へ切り替わることがあります。さっきまで正しかった設定でも、その後の操作にはずれが生じます。
周波数が二つの既知の値だけを行き来するなら、毎回広い範囲を探し直す必要はありません。Fabrizio Berritta氏ら、MIT、レーゲンスブルク大学、Quantum Machines、Qolabなどの共同研究は、一回の測定結果から現在の側を推定し、後続の制御を合わせ直す「1ビット・フィードバック」を超伝導量子ビットで実験しました。2026年5月の初稿を11月3日に改訂した論文をもとに、その仕組みと改善率の読み方を整理します。
簡単にまとめると？
- 高い周波数か低い周波数かを、一回の測定で推定して制御の基準へ反映します。二つの候補が既知であることが、測定を少なくできる理由です。
- 約14分間の評価で、平均ゲート誤りは約0.14%から約0.065%へ減りました。論文の「77%低減」は、平均同士ではなく、大きく悪化した誤りとの比較です。
- 対象はゆっくりした二状態の切り替わりです。任意の周波数変動、量子ビットの緩和、計算全体の誤りをまとめて取り除く方法ではありません。
周波数が変わると、制御の基準がずれる
実験で用いたのは、トランズモンと呼ばれる超伝導量子ビットです。高い側の周波数は約5.10 GHzで、低い側との差は約374 kHzでした。この差は中心の周波数に比べると小さいものの、量子状態の位相、つまり重ね合わせの進み具合には影響します。
同じ制御信号を出していても、量子ビットが高い側にいるときと低い側にいるときでは、位相のずれ方が変わります。両方の測定を混ぜると、位相の変化を調べるラムゼー測定に「うなり」が現れます。狙った回転を与えるゲート操作にも、周波数のずれによる誤りが加わります。
研究チームは、この切り替わりが、量子ビットと強く結びついた二準位系（TLS）欠陥の影響で起きている可能性が高いと考えています。TLSは二つの状態を取り得る微小な自由度を指す言葉です。今回の実験で、欠陥の原子レベルの正体まで特定したわけではありません。また、高い・低いという周波数の二状態は、計算に使う量子ビットの0と1の状態とは区別します。
二つの候補なら、一回の測定を選択に使える
この手法では、まず判定用の短いパルス列で量子ビットを重ね合わせにし、一定の時間だけ位相を進ませます。二つの周波数で進み方が違うことを利用し、両者の位相が約180度離れる時点で次のパルスを加えます。位相の違いを、0か1かという読み出し結果の違いへ変換するためです。
位相を十分に保てる条件では、待つ時間の目安は 1 /（2 × 周波数差） です。今回の約374 kHzという差なら約1.33マイクロ秒になります。この時間は判定中に重ね合わせを保つ部分であり、読み出しや共振器を落ち着かせる時間まで含んだ処理全体ではありません。
読み出した一つのビットを、FPGAを使う制御装置が受け取ります。推定した高い側または低い側に応じて、後続の操作の基準となる周波数・位相の座標系、すなわち制御フレームを更新します。実験にはQuantum MachinesのOPX1000とQUAが使われています。
一回で判定できるのは、候補があらかじめ二つに絞られているからです。知らない周波数を一回の測定で自由に決められるわけではありません。実際の読み出しや状態準備にも誤りがあるため、論文は周波数の側を取り違える確率を約9%と評価しています。
また、判定には量子ビットの準備と測定を使います。計算途中の未知の量子状態をそのまま保ちながら、好きな時点で非破壊に周波数だけを読む実証ではありません。実験では、判定を後続のラムゼー測定やゲート列の前に組み込んで効果を調べています。
平均の改善と、最大77%の比較を分ける
研究チームは、フィードバックを使う測定と使わない測定を交互に行い、ラムゼー信号のうなりが抑えられることを確認しました。さらに、ランダムなゲート列を使う「ランダム化ベンチマーキング」で、一量子ビットのゲート誤りを約14分間にわたり評価しています。
これは、一回のゲートを直接見て正誤を数える試験ではありません。多数のランダムな列を実行し、列を長くするにつれて結果がどのように崩れるかを当てはめて、ゲートあたりの誤りを推定します。各評価点には多数の測定が含まれます。「1ビット」は周波数を一度推定するために使う結果の数で、性能評価全体に一回しか測定していないという意味ではありません。
| 比較する量 | フィードバックなし | フィードバックあり |
|---|---|---|
| 平均ゲート誤り | （1.4 ± 1.1）×10−3 | （0.65 ± 0.18）×10−3 |
| 平均値を百分率で表すと | 約0.14% | 約0.065% |
| 77%低減の比較に使う値 | 大きく悪化したときの約2.8×10−3 | 約0.65×10−3 |
平均同士では、誤りの低減は約54%です。一方、悪化したときの約2.8×10−3から約0.65×10−3への低下を見ると、約77%になります。大きな改善だけを取り出して、平均が77%改善したと読み替えることはできません。
比較の基準にも条件があります。フィードバックなしの実験では、制御周波数を高い側へ固定しています。量子ビットが低い側へ移ると、周波数差の全体がずれとして現れる設定です。両側の中間へ固定する方法なら、両状態でのずれ方が変わります。論文の付録もこの違いを扱っており、今回の改善率を、あらゆる固定設定に対する優位性へ広げないことが大切です。
欠陥をなくす工夫と、制御で補う工夫
この方法が役立つには、二つの周波数が十分に見分けられ、その側が判定から操作までの間に変わりにくい必要があります。実験で見られた切り替わりは数十秒程度の時間尺度で、短い判定よりもゆっくりしていました。変化が速すぎれば、測定した直後の情報が、操作時には古くなります。
逆に二つの周波数が近すぎると、位相の違いを作るために長く待つ必要があります。その間に量子状態の位相が乱れれば、識別は難しくなります。速い制御装置だけを用意すれば、どの量子ビットにも効くという関係ではありません。
示されたのは、一つの超伝導量子ビットで、二状態の周波数変化に制御を合わせる実験です。多数の量子ビットを同時に安定化した結果や、誤り訂正された計算全体の性能ではありません。材料や製造法を改善して欠陥を減らす取り組みに加え、残った離散的な不安定さを短い校正で補う選択肢として読むと、使える条件が見えてきます。
制御装置と実験ソフトの役割は、CyclewaveのQuantum Machinesの企業解説でも整理しています。