量子コンピューティングにおける最も根強い課題の一つはドリフトである。すなわち、量子プロセッサを最高のパフォーマンスに保つ制御パラメータが、温度変動、材料の経年劣化、その他の環境要因により経時的に変化する。標準的な解決策は、計算を停止し、キャリブレーションルーチンを実行し、再起動することであり、これは時間を浪費し、論理量子ビットを維持できる時間を制限する。
Google Quantum AIとGoogle DeepMindによる新しいNature論文（第一著者：Volodymyr Sivak、Alexis Morvan、Michael Broughton）は、別の方法を示している。すなわち、量子誤り訂正がすでに生成する誤り検出イベントを継続的な学習信号として利用する強化学習であり、計算を中断することなくプロセッサの制御をリアルタイムで調整する。
仕組み
量子誤り訂正では、シンドローム測定が潜在的な誤りを検出すると、誤り検出イベントが生成される。これらのイベントは通常、デコーダにどの訂正を適用すべきかを伝えるという単一の目的を果たす。新しいアプローチでは、これらに二重の役割を与える。同じイベントが、PEPG（Parameter-Exploring Policy Gradients）と呼ばれるモデルフリーのポリシー勾配アルゴリズムの強化信号としても使用される。
アルゴリズムは、制御パラメータ上の確率分布を維持し、誤り検出イベントの発生率に基づいてそれを更新する。重要なのは、システムがスパース因子グラフ構造を活用している点である。各誤り検出器は、その検出領域内のゲートの制御パラメータにのみ接続され、検出器あたり平均302パラメータ、パラメータあたり18検出器となる。このスパース性により、強化学習はシステムサイズに依存せずに収束することができ、より大規模なプロセッサにも適用可能であることを意味する。
実験はGoogleのWillow超伝導プロセッサ（105量子ビット）で実行され、距離5のカラーコードに対して1000以上のパラメータを制御し、距離15のサーフェスコードに対して約40000パラメータまでのスケーラビリティをシミュレートした。
数値結果
Willowプロセッサでは、強化学習による制御により、論理誤り率（LER）の安定性が2.4倍向上し、LERが24%低減した。デコーダ制御と組み合わせると、改善率は3.5倍、すなわち31%のLER低減に達した。
システムはハードウェアの記録的なLERを達成した。AlphaQubit2デコーダを使用した距離7のサーフェスコードで7.72 x 10^(-4)、Tesseractデコーダを使用した距離5のカラーコードで8.19 x 10^(-3)である。これは、専門家による手動キャリブレーションで達成できるよりも約20%追加のLER抑制に相当する。
RLシステムは、約130エポック以内にステップ状のパラメータドリフトを追跡し、低周波数のLER変動を約4dB抑制することができた。効果的なリアルタイム制御の臨界ドリフト周波数は約1/150エポックであり、そのタイムスケールより遅いドリフトは自動的に補正される。
重要性
継続的な再調整は、安定した量子プロセッサを構築するための実用的な必要条件である。現在のキャリブレーションルーチンはプロセッサの停止を必要とし、論理量子ビットのコヒーレンス時間を制限し、プロセッササイズに比例するオーバーヘッドをもたらす。停止の必要性を排除するRLシステムは、大規模なフォールトトレラント量子コンピューティングへの一歩である。
このアプローチはハードウェア要件も簡素化する。すなわち、ドリフトしない極めて安定した制御システムを必要とする代わりに、プロセッサはドリフトを許容し自律的に補正できる。著者らは、RLシステムの収束率がシステムサイズに依存しないことを指摘しており、プロセッサが数千量子ビットに成長しても本手法が機能し続けることを示唆している。
本論文は2026年7月8日にNatureに掲載され、Ars TechnicaのJohn Timmerによって取り上げられた。
出典
[1] Sivak, V., Morvan, A., Broughton, M., et al.「Reinforcement learning control of quantum error correction.」Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10759-2
[2] Timmer, J.「Quantum error correction can constantly recalibrate a processor.」Ars Technica (2026). https://arstechnica.com/science/2026/07/quantum-error-correction-can-constantly-recalibrate-a-processor/
雅子 訳