企業は量子コンピュータを構築するために急いでいます。誰が勝っているかをどう判断しますか?最も重要な指標の1つは忠実度と呼ばれます。
量子コンピュータは3つのことが得意である必要があります:
- 単一量子ビットゲート:1つの量子ビットを回転させる。
- 2量子ビットゲート:2つの量子ビットを一緒にもつれさせる。
- 測定:答えを読み出す。
それぞれ独自の忠実度を持ちます。3つすべてをカバーします。
単一量子ビット忠実度
単一量子ビットゲートは量子状態の回転です。単一量子ビット忠実度を説明する最も簡単な方法:
量子コンピュータが180°回転をしようとするとき、どれだけ近づけるか?
ブロッホ球では、これを直接描けます。量子ビットは北極から始まります。完璧な180°回転は正確に南極に着地します。わずかに間違った回転は少し届かない場所に着地します。
イオントラップの例
具体的にしましょう。イオントラップ量子コンピュータでは、ゲートは電子量子ビットに短時間レーザーを発射することで実行されます。これはパルスと呼ばれます。
レーザーがオンになると、量子状態は回転を始めます。レーザーがオフになると、回転が止まります。
状態がどこで終わるかを決める3つの要因:
- レーザーのパワーがどれだけ速く回転するかを決定。
- パルスの長さがどれだけ遠く回転するかを決定。
- レーザーの周波数が回転軸を決定。周波数が量子ビットの「遷移周波数」に近いほど、軸はx軸に近くなります。
x軸まわりの完璧な180°回転(Xゲート)をするには、3つすべてが同時にほぼ完璧でなければなりません。実際のハードウェアでは、どれもそうではありません。
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タップしてレーザーを開始、タップして停止。完璧な180°にどれだけ近づけますか?IBM Hanoiの99.5%に勝てますか?
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実際にどう測定されるか
実際に忠実度がどう測定されるかについての2つの追加詳細。
読み出し。 回転した状態を上/下基底で測定すると、完璧な180°回転は毎回下を得るはずです。回転が完璧でなければ、時々上を得ます。だから数えます:10,000ショットのうち、何パーセントが下になったか?そのパーセンテージが忠実度です。
すべての軸。 企業はXだけをテストしません。あるハードウェアは1つの軸まわりの回転が得意ですが、他では悪いです。本番ベンチマークは、ゲートの全体的な品質を表す単一の数を得るために、広範な一連のランダム回転にわたる忠実度の平均を取ります(ランダム化ベンチマークと呼ばれる技術)。
2量子ビット忠実度
2量子ビット忠実度は量子コンピューティング全体で最も重要な単一指標です。
単一量子ビット忠実度と同じ方法で測定されますが、今度は量子もつれを生成するゲートをテストしています。例えば:|00⟩から始めて、量子コンピュータはベル状態(|00⟩ + |11⟩)/√2をどれだけ完璧に生成できますか?|01⟩または|10⟩を読み出した場合、忠実度は低いです。
|+⟩|0⟩ produces a clean Bell state: the red and blue worlds split cleanly on both spheres. An imperfect one leaves residual overlap, which is exactly what shows up as 01 or 10 outcomes you weren't supposed to get.2量子ビット忠実度がそれほど重要な理由:2量子ビットゲートは歴史的にひどいです。 現代の量子コンピュータは99.9%付近にあり、最良のデモンストレーションは2025年にようやく99.99%を超えました。99.9%でも、ゲートあたり約0.1%のエラー確率です。1,000個のゲートで回路を実行すると、エラーが複合してナンセンスになります。
大きな見返り:誤り訂正は多くの不完全な物理量子ビットを一緒に配線して、単一の堅牢な論理量子ビットにします。約99%の物理忠実度の閾値を超えると、エラーは複合しなくなります。能動的に抑制されます。Googleは2024年にこれを実証。問題は、誤り訂正が(妥当な量子ビット数のオーバーヘッドで)実用的になるのは、現在のリーディングハードウェアがいる99.9% – 99.99%の範囲に快適に入ってからだということです。
だから企業はその最後の数桁を争っているのです。Oxford Ionicsは2024年に99.97%で前の記録を保持し、2025年にIonQに買収されました。2025年末、結合チームは99.99%の2量子ビット忠実度を最初に超えました。
測定忠実度
量子ビットを完璧に回転させてもつれさせた後でも、結果を読み出す必要があります。
測定忠実度は、検出器が正しい結果を報告する確率です。時々量子ビットは本当に|1⟩に崩壊するのに、検出器は|0⟩を報告します。これは読み出し忠実度とも呼ばれ、形式的にはSPAM(状態準備と測定)と呼ばれます。両方が量子と古典の境界でのエラーに寄与するため、通常一緒にまとめられます。
|+⟩ and measured. The perfect detector always reports the true outcome. The noisy detector flips the answer one time in four: same physical collapse, wrong readout.現代の超伝導検出器は通常98〜99%に達します。イオントラップと中性原子の読み出しは99.9%をクリアできます。
今日のリーダーボード
公開された2量子ビット忠実度別のトップ稼働中量子コンピュータ。私たちの量子コンピュータレジストリからライブで取得:
| システム | ベンダー | 2量子ビット | 1量子ビット |
|---|---|---|---|
| Helios | Quantinuum | 99.92% | 100.00% |
| Tempo | IonQ | 99.90% | 99.99% |
| 11-qubit atomic-precision processor | Silicon Quantum Computing (SQC) | 99.90% | n/a |
| Willow | Google Quantum AI | 99.88% | 99.97% |
| Sqale | Infleqtion | 99.73% | n/a |
| Orion Gamma | Pasqal | 99.70% | 99.90% |
数字はベンダー公開です。第三者ベンチマークが一致しない場合、レジストリは不一致を記載します。ソースとシステムごとの詳細については完全なレジストリを参照。
次は何か
誤り訂正閾値を超えることは、量子コンピュータがデモであることをやめてマシンになる瞬間です。誤り訂正に関するガイドが近日公開予定です。