通信を支えるLDPC符号の設計理論を量子コンピューターへー大きな最小距離が期待でき、スレッショルド現象を示す量子LDPC符号を実現ー

2026-09-09 東京科学大学

東京科学大学の笠井健太准教授は、通信・記憶装置で広く使われる古典LDPC符号の設計理論を、量子コンピューターの誤り訂正に応用する新しい量子LDPC符号を提案した。量子LDPC符号では、異なる誤りを検査する仕組みが互いに干渉しないよう量子力学的制約を満たす必要があり、古典符号の設計自由度が制限されていた。研究では、制約を実際の誤り訂正に必要な部分に限定し、それ以外では古典LDPC符号と同様の自由度を維持する設計法を考案。9,216個の物理量子ビットから4,612個の論理量子ビットを保護する高符号化率の符号を構成し、最小距離が48近傍であることを強く示唆するとともに、明瞭なスレッショルド現象を確認した。数値実験では雑音4%でフレーム誤り率10^-8を達成した。量子メモリーや大規模量子計算、中性原子方式への応用が期待される。

通信を支えるLDPC符号の設計理論を量子コンピューターへー大きな最小距離が期待でき、スレッショルド現象を示す量子LDPC符号を実現ー
図1. 提案した量子誤り訂正符号の基本設計(ボストンでの招待講演資料[参考文献4]より)。ĤXとĤZは2種類の誤りを見つけるための検査を表す。色は、行列の小さなブロックを規則正しく並べる方法を示している。

<関連情報>

量子LDPC符号における直交性の壁を打破する Breaking the Orthogonality Barrier in Quantum LDPC Codes

Kenta Kasai
Quantum  Published:2026-09-09
DOI:https://doi.org/10.22331/q-2026-09-09-2205

Abstract

Classical low-density parity-check (LDPC) codes are a widely deployed and well-established technology, forming the backbone of modern communication and storage systems. It is well known that, in this classical setting, increasing the girth of the Tanner graph while maintaining regular degree distributions leads simultaneously to good belief-propagation (BP) decoding performance and large minimum distance. In the quantum setting, however, this principle does not directly apply because quantum LDPC codes must satisfy additional orthogonality constraints between their parity-check matrices. When one enforces both orthogonality and regularity in a straightforward manner, the girth is typically reduced and the minimum distance becomes structurally upper bounded. In this work, we overcome this limitation by using permutation matrices with controlled commutativity and by restricting the orthogonality constraints to only the active part of the construction, while preserving regular check-matrix structures. This design circumvents conventional structural distance limitations induced by parent-matrix orthogonality, and enables the construction of quantum LDPC codes with large girth while avoiding latent low-weight logical operators. As a concrete demonstration, we construct a girth-8, (3,12)-regular [[9216,4612,≤48]] quantum LDPC code and show that, under BP decoding combined with a low-complexity post-processing algorithm, it achieves a frame error rate as low as 10−8 on the depolarizing channel with error probability 4%.

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