光による量子コンピューターの実現に大きく迫る手法を開発

従来の１００億倍の誤り耐性

2018-05-25　北海道大学　京都大学　科学技術振興機構（ＪＳＴ）

ポイント

光を用いた量子コンピューターの実現には、量子ビットの誤り率を非常に小さくする必要があった。
量子ビットの誤り耐性を最大限引き出す方法とノイズに強い量子ビットの配列法により、現在の技術レベルでも量子コンピューターを実現できる方法を開発。
光を用いた量子コンピューターの現実的な構成法を世界で初めて明らかにした先駆的な研究であり、この分野の発展をさらに加速させることが期待される。

北海道大学大学院情報科学研究科の富田章久　教授、同博士後期課程の福井浩介　氏、京都大学大学院理学研究科の藤井啓祐　特定准教授らの研究グループは、光を用いた量子コンピューターを現在の技術レベルで実現させる方法を開発しました。

量子コンピューター^注１）は、量子力学の重ね合わせの原理を利用することで、素因数分解、分子の性質・化学反応のシミュレーションなどを現在のコンピューターより遙かに高速に処理できることが期待されており、世界各国で盛んに研究・開発されています。量子コンピューターの基本単位である量子ビットとしては、超伝導の磁束、電子のスピンなどさまざまな候補がありますが、本研究グループでは大規模な量子計算の実現に有利であるとされる光に注目してきました。しかし、光を用いた量子計算の実現には、３７０兆回の演算あたり１回以下の誤りしか許されず、現在の技術レベルでは達成が非常に困難でした。

これまでに本研究グループでは、光の性質を活用することで量子ビットに発生する誤りを訂正する能力を最大限引き出す方法「アナログ量子誤り訂正法^注２）」を開発してきました（この研究成果は米国科学誌「Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ」に２０１７年１１月３日に掲載済み）。今回研究グループは、誤りの発生を極限まで抑えながら量子ビットを配列する方法^注３）を新たに提案しました。また、アナログ量子誤り訂正法と量子ビットの配列法を組み合わせることで、約１万回の演算あたり１回以下の誤りであれば量子計算が実現できるという、これまでの約１００億倍誤りに強い方法を新たに開発しました。この誤り率は現在の技術レベルでも到達可能なことから、光を用いた量子コンピューターの実現に大きく近づくことができました。本研究は、光を用いた量子コンピューターの現実的な構成法を世界で初めて明らかにした先駆的な研究であり、この分野の発展をさらに加速させることが期待されます。

本成果は、米国科学誌「Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｘ」に米国東部時間２０１８年５月２５日に掲載される予定です。

本研究の一部は、科学技術振興機構（ＪＳＴ）戦略的創造研究推進事業さきがけ「量子の状態制御と機能化」（研究総括：伊藤公平　慶應義塾大学　理工学部長／教授）における「知的量子設計による量子計算・量子シミュレーションの新機能創出」（研究者：藤井啓祐　京都大学大学院理学研究科　特定准教授）支援のもとに行われました。

＜背景＞

量子コンピューターは量子力学の原理に基づいた重ね合わせ状態を利用する技術で、素因数分解、分子の性質・化学反応のシミュレーションなどを現在のコンピューターよりも遙かに高速に処理できることが期待されています。そのためＧｏｏｇｌｅ、ＩＢＭ、ＩｎｔｅｌやＭｉｃｒｏｓｏｆｔなどの世界的企業や各国の研究機関で、量子コンピューターの実現に向けた研究開発が盛んに行われています。

量子コンピューターを実現するためには、量子もつれ状態と呼ばれる量子力学的な相関関係を持つ状態を大規模に用意する必要があります。現在では、超伝導の磁束、電子のスピンなどさまざまな量子ビット候補において、より大規模な量子もつれ状態を作り出そうとする研究が盛んに行われています。光は、光波の振幅が任意の値をとることができる連続的な性質を利用する点が、他の量子ビット候補と異なっており、比較的簡易に量子もつれ状態を生み出すことができるため、近年非常に注目されています。

しかし、光波の連続的な性質を利用する量子コンピューターでは、発生する誤りを訂正することが不可能でした。そこで、２つの光波の状態を使ってデジタル情報を表すことで誤り訂正を行うことが考えられており、この手法は提案者の頭文字をとってＧＫＰ量子ビットと呼ばれています。ＧＫＰ量子ビットは光波の連続的な性質を保っているため比較的簡易に量子もつれ状態を生み出すことができ、かつ誤り訂正が可能なことから、量子コンピューターの構成要素として最近注目されています。

これまでのＧＫＰ量子ビットを用いた量子コンピューターでは、量子もつれ状態の大規模化の過程で誤りが発生しやすいという問題がありました。その結果、初めに用意しなければならない光波の振幅の精度（分散）は通常のレーザー光のノイズの４０分の１以下としなければなりませんでした。これは、３７０兆回の演算あたり１回以下の誤りしか許されないことを意味し、現在の技術レベルでは達成が非常に困難でした。

＜研究手法＞

これまで本研究グループは、光波の連続的な性質を活用することで量子ビットに発生する誤りを訂正する能力を最大限引き出す、アナログ量子誤り訂正法という手法を開発してきました。今回研究グループは、ノイズに高い耐性を持ち、実装面でも非常に有利なトポロジカル量子計算^注４）という方式にアナログ量子誤り訂正法を適用しました。さらに、光波の連続的な性質を活用して量子ビットに誤りが発生した確率を予測する方法を開発しました。

＜研究成果＞

まず、予測された誤り発生確率を参照することによって、量子もつれ状態の大規模化過程で、誤りを起こした可能性の高い量子ビットを取り除く手法を提案しました。この、誤り確率の高い量子ビットを取り除く手法を、トポロジカル量子計算を実行するために用いられる量子もつれ状態の生成に応用し、誤りに強い大規模な量子もつれ状態を構築できることを理論的に確認しました。さらに、アナログ量子誤り訂正法をトポロジカル量子計算に適用した結果、振幅の精度（分散）が通常のノイズの１／１０以下であれば量子コンピューターが実現できるということが理論的に明らかになりました。これによって、約１万回の演算あたり１回以下の誤りまで許容できるようになり、これまでの方式と比べて約１００億倍誤りに強い方式を開発することに成功しました。従来、アナログ量子誤り訂正法のトポロジカル量子計算への適用可否は明らかではありませんでしたが、トポロジカル量子計算の誤り訂正能力を最大限引き出すことが本研究で示され、アナログ量子誤り訂正法の有効性が証明されました。

＜今後への期待＞

今回開発した方式に求められる許容誤り率は現在の技術レベルでも到達可能なことから、本研究により、光を用いた量子コンピューターの実現に大きく近づくことができました。また本成果は、光を用いた量子コンピューターの現実的な構成法を世界で初めて明らかにした先駆的な研究であり、この分野の発展をさらに加速させることが期待されます。

＜用語解説＞

注１）量子コンピューター: 現在使われているコンピューターは０または１の値をとるビットを基本に作られているが、量子コンピューターは０と１の重ね合わせ状態をとることができる量子ビットを用いて計算する。０と１の場合の計算を同時に実行する超並列計算を行うことで、量子コンピューターはより高速に演算処理ができるとされている。
注２）アナログ量子誤り訂正法: 連続的な性質を持つ光波の振幅を測定すると、連続的なアナログ値が得られる。光量子ビットでは従来、アナログ値をデジタル化して０または１の値を決定していたが、本研究グループではアナログ値の情報を参照して最も確からしい誤りのパターンを推定して量子誤り訂正符号の性能を向上する手法を提案しており、この手法をアナログ量子誤り訂正法という。アナログ量子誤り訂正法を用いるとＧＫＰ量子ビットは一般的なノイズ（白色ノイズ）に対して最大の誤り耐性を持つことが、本研究グループによって示されている。
注３）誤りの発生を極限まで抑えながら量子ビットを配列する方法: 光量子ビットを測定したときに得られるアナログ情報から、その量子ビットにどれだけの確率で誤りが発生しているのか見積もることができる。これにより、大規模な量子もつれ状態をつくる過程において、誤りが発生していそうな量子ビットを取り除くことができる。この方法を使えば、トポロジカル量子計算で消費されるトポロジカルクラスター状態と呼ばれる大規模な量子もつれ状態を、高純度で構築することができる。
注４）トポロジカル量子計算: 量子情報は環境の影響によるノイズで破壊されやすいため、量子計算では、量子ビットに発生した誤りを訂正することが求められる。トポロジカル量子計算は、量子誤り訂正符号の中で物理的な実装が比較的簡易で、かつ誤り訂正能力が高いトポロジカル符号で量子情報を護りながら量子計算を行う方式である。