量子コンピューター実現の大きな壁「コスト増大」を回避~魔法状態蒸留のコストを一定以下に抑える新手法を開発~

2025-09-16 東京大学

東京大学大学院情報理工学系研究科の山崎隼汰准教授らは、MIT大学院生アダム・ウィルズ氏、フォックスコンの謝明修博士と共同で、量子コンピュータの実現に不可欠な「魔法状態蒸留」のコスト増大問題を解決する新手法を開発した。魔法状態は汎用量子計算に必要だが、従来の蒸留法ではノイズを減らすほどコストが際限なく増加する欠点があった。研究チームは高効率な量子エラー訂正符号を設計し、ノイズ低減能力を維持しつつ、蒸留に必要なコストを一定以下に抑えられることを初めて理論的に示した。これにより、従来避けられなかったコストの指数的増加を回避でき、実用的な量子コンピュータ構築の新たな方向性が開かれる。成果は2025年9月16日付で Nature Physics に掲載された。

量子コンピューター実現の大きな壁「コスト増大」を回避~魔法状態蒸留のコストを一定以下に抑える新手法を開発~本研究で開発した新手法(左)と従来手法(右)による魔法状態蒸留

<関連情報>

定数オーバーヘッドの魔法状態蒸留 Constant-overhead magic state distillation

Adam Wills,Min-Hsiu Hsieh & Hayata Yamasaki
Nature Physics  Published:16 September 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-025-03026-0

Abstract

Most schemes for realistic quantum computing require access to so-called magic states to allow universal quantum computing. Because the preparation process may be noisy, magic state distillation methods are needed to improve their accuracy and suppress any potential errors. Unfortunately, magic state distillation is resource-intensive and often considered a bottleneck to scalable quantum computation. Here, the cost is defined by the overhead: the ratio of noisy input magic states to cleaner outputs.This is known to scale as  O(logϒ(1/ϵ)) as ϵ → 0, where ϵ is the output error rate and γ is some constant. Reducing this overhead, corresponding to smaller γ, is highly desirable to remove the bottleneck. However, identifying the smallest achievable exponent γ for distilling magic states of qubits has proved challenging. Here, we resolve this problem by demonstrating protocols with the optimal exponent γ = 0, thus corresponding to magic state distillation with a constant overhead, and we show that this is achievable for the most important magic states such as |T>| and/CCZ> .This is achieved by using algebraic geometry constructions to build the first asymptotically good quantum codes with transversal non-Clifford gates, for which we also construct an efficient decoder with linear decoding radius.

1601コンピュータ工学
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