量子演算の効率的な保存・再生~量子メモリが古典メモリの性能を上回ることを理論的に証明~

2026-05-14 東京大学

東京大学大学院理学系研究科の研究グループは、未知の量子演算を保存・再生する量子情報処理において、量子メモリが古典メモリを理論的に上回ることを初めて厳密に証明した。研究では、量子演算を測定して古典情報として保存する「古典戦略」と、量子状態のまま量子メモリへ保存する「量子戦略」を比較した。特に、情報符号化を表す「アイソメトリ演算」に着目し、古典戦略における最適推定精度を解析的に導出した結果、推定精度には「標準量子限界」が存在することを示した。一方、量子戦略では未知演算を量子状態として保持できるため、同等性能を実現するために必要な量子演算呼び出し回数を平方根程度まで削減できることが明らかになった。本成果は、量子メモリの実質的優位性を示す理論的基盤を提供するものであり、量子コンピュータの高効率化や秘匿性を伴う量子計算技術の発展に重要な指針を与えると期待される。

量子演算の効率的な保存・再生~量子メモリが古典メモリの性能を上回ることを理論的に証明~
本研究は量子演算の保存・再生における量子戦略の優位性を示す

<関連情報>

等長チャネルの保存と検索における量子優位性 Quantum Advantage in Storage and Retrieval of Isometry Channels

Satoshi Yoshida, Jisho Miyazaki, and Mio Murao
Physical Review Letters  Published: 13 May, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/fdvq-9m8m

Abstract

Storage and retrieval refer to the task of encoding an unknown quantum channel Λ into a quantum state, known as the program state, such that the channel can later be retrieved. There are two strategies for this task: classical and quantum strategies. The classical strategy uses multiple queries to Λ to estimate Λ and retrieves the channel based on the estimate represented in classical bits. The classical strategy turns out to offer the optimal performance for the storage and retrieval of unitary channels. In this work, we analyze the asymptotic performance of the classical and quantum strategies for the storage and retrieval of isometry channels. We show that the optimal fidelity for isometry estimation is given by F=1−[d⁢(D−d)/n]+O⁡(n−2), where d and denote the input and output dimensions of the isometry, and n is the number of queries. This result indicates that, unlike in the case of unitary channels, the classical strategy is suboptimal for the storage and retrieval of isometry channels, which requires n=Θ⁡(ε−1) to achieve the diamond-norm error ε. We propose a more efficient quantum strategy based on port-based teleportation, which stores the isometry channel in a program state using only n=Θ⁢(1/√ε) queries, achieving a quadratic improvement over the classical strategy. As an application, we extend our approach to general quantum channels, achieving improved program cost compared to prior results by Gschwendtner, Bluhm, and Winter [Quantum 5, 488 (2021)].

1601コンピュータ工学
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