何分間もじっとしている量子の猫
量子コンピューターが役に立つのは、自分の誤りを訂正できる場合だけだ。それには膨大なハードウェアが必要になる。ただし、誤りが偏っていれば話は別だ。ある種類の誤りがほとんど起こらないなら、誤り訂正符号はもう一方の種類とだけ戦えばよく、ずっと単純にできる。
いわゆるキャット量子ビット（cat qubit）は、偏るように作られている。マイクロ波の場を保持する超伝導回路の中に、その場の2つの逆向きの振動として情報を蓄えるのだ。0を1に変えること、つまりビット反転は、一方の振動から他方へ跳び移ることを意味する。場の光子が多いほど、2つの状態は遠く離れる。ビット反転は光子数とともに指数関数的にまれになり、もう一方の誤りである位相反転は比例して増えるだけだ。
2つの谷、1つの弱点
キャットをその場にとどめる方法は2つある。「散逸型」のキャットは、損失のある相手によって絶えず2つの状態へ押し戻される。こちらはすでに100秒以上保たれている。一方、「Kerr」キャットは、非線形回路を駆動することで作られる、障壁で隔てられた2つの谷をもつエネルギー地形の中に収まっている。利点は制御の速さだ。弱点は、わずか数ミリ秒でビット反転が起きてしまうことだ。最近のある改良で3.6 msに達したが、それでもまだ5桁足りない。
原因は、迷い込んだエネルギーを取り除くものが何もないことにある。雑音がキャットを谷の中の励起状態へと蹴り上げ、そこからだと、もう一方の谷へ滑り込むのがずっと容易になる。さらに悪いことに、駆動が強いと、量子ビットはたいてい読み出し回路と共鳴状態に入り、それが保護を大きく損なう。
排水口としての読み出し回路
イスラエルのワイツマン科学研究所（Weizmann Institute of Science）のSergey Hazanov、Mikhail Svintsovらは、この問題を逆手に取った。2つの谷を掘るのと同じ非線形相互作用が、各谷の内部の励起を読み出し共振器にも結びつける。読み出し共振器は、測定線へ絶えず光子を漏らしている回路だ。
励起のエネルギーが、駆動と読み出し共振器のエネルギー差に一致すると（「自己パラメトリック」共鳴）、励起は読み出し光子として受け渡され、逃げていく。0か1かという情報そのものは手つかずのまま残る。出力線に置かれたフィルターを通じて、2つ目の排水口も現れる。
チームはこれを直接測定した。共鳴状態では、第1励起状態は読み出し回路が許す限りの速さで空になり、より高い状態はカスケード状に排出される。シリコン上のアルミニウムでできたチップは10ミリケルビンまで冷却され、追加の冷却駆動も追加の回路素子も必要としなかった。
7桁の伸び
共鳴から離れたところでは、ビット反転はやはり数ミリ秒以内に起きた。共鳴の近くでは、保護が急上昇した。
- 読み出し共鳴上で519ミリ秒（光子22.4個）
- 2つの共鳴のあいだで15.4秒（光子27.3個）
- フィルター共鳴上では、100秒の測定時間枠のうちに、保存された状態の測定できる減衰がない（光子33.8個）。つまりビット反転時間は100秒を超える
繰り返し読み出した長い記録の中でまれな反転を数えることで（15時間で62回の反転）、チームは最後の点でのビット反転時間を448 ± 57秒と見積もった。これは従来のKerrキャットを5桁以上上回る。
光子数とともに指数関数的に減るビット反転は、Kerrキャットを特徴づける予測だが、これまで観測されたことはなかった。それがここで現れた。光子が1個増えるごとにビット反転時間は1.82 ± 0.06倍になり、光子7.4個での52マイクロ秒から33.8個での448秒まで、約7桁にわたって伸びた。頭打ちになる兆しはない。
速いゲート、穏やかな読み出し
量子ビットが使えなくなるなら、保護に意味はない。冷却された量子ビットの基本的な回転には8ナノ秒かかった。その回転用の駆動をずっとかけたままにしても、ビット反転時間は短くならなかった（駆動ありで0.65秒、なしで0.64秒）。量子ビットを4マイクロ秒で読み出しても、反転が起きたのは読み出し1,000万回に5回だけだった。
もう一方の誤り
代償は位相反転だ。位相反転は、単一光子の損失によって決まる予想どおりの限界、約T₁/(2n̄)に従う。ここでT₁は回路の光子寿命（約8マイクロ秒）、n̄は光子数である。光子24.2個のとき、キャットはビット反転に対しては3.55秒持ちこたえたが、位相反転に対してはわずか113ナノ秒だった。偏りは約3,000万対1になる。
著者らは、この差を縮める2つの道を示している。55.7マイクロ秒の光子寿命はすでに他所で実証されており、これはここでの約7倍だ。また、回路をもっと冷やせば迷い込む励起が減り、より少ない光子で同じ保護が得られるかもしれない。そうなれば、位相反転も減ることになる。