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 東京大学、NTT、産業技術総合研究所、大阪大学による研究チームが、量子コンピューターのエラー(誤り)を抑制する新手法「一般化量子部分空間展開法」を開発した。ハードウエアに起因するエラーとアルゴリズムに起因するエラーの両方を抑制できる点が特徴だ。既存の誤り抑制手法は片方のエラーしか抑制できない課題があった。

 東京大学大学院工学系研究科の吉岡信行助教、NTTコンピュータ&データサイエンス研究所の徳永裕己特別研究員、鈴木泰成研究員、遠藤傑研究員、産業技術総合研究所の松崎雄一郎主任研究員、大阪大学量子情報・量子生命研究センターの箱嶋秀昭特任助教が開発した新手法である。2022年7月6日に米国の科学雑誌「Physical Review Letters」のオンライン版で発表した。

NISQで高精度の計算を目指すのが「量子誤り抑制」

 現時点の量子コンピューターは、外部環境との相互作用やハードウエア製造上の限界によって様々なエラーが発生するため、正しい計算結果が得られないという課題がある。量子ビットに発生するエラーを除去する「量子誤り訂正(Correction)」技術の開発も進められているが、完全な量子誤り訂正を実現するには数百万個以上の量子ビットが必要であり、実現にはまだ時間がかかるとみられている。

 現在、米Google(グーグル)や米IBMなど様々な企業や研究機関が量子コンピューターのハードウエアを開発している。しかし現状の量子コンピューターは、量子ビットの数が少なく量子誤り訂正もできないNISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum Computer、ノイズがありスケールしない量子コンピューター)であり、それ単体では意味のある計算はできないと見なされている。

 それに対して量子誤り抑制(Mitigation)は、エラーが含まれる低精度の計算結果を現行方式のコンピューター(古典コンピューター)を使った補助的な計算によってうまく組み合わせることで、高精度な計算結果を引き出そうとする技術である。量子ビットが少なくエラーがあるNISQであっても、意味のある計算結果が得られる可能性があるため、グーグルやIBMなど様々な組織が競って開発を進めている。

ハードエラーとアルゴリズムエラーの両方を抑制

 今回、東大やNTTなどの研究チームは、グーグルが開発した既存の量子誤り抑制法である「仮想蒸留法」と「量子部分空間展開法」を参考に、より優れた量子誤り抑制法として一般化量子部分空間展開法を開発した。

図 「一般化量子部分空間展開法」の概要
図 「一般化量子部分空間展開法」の概要
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 量子コンピューターに発生するエラーとしては、量子ビットの外部環境にある磁場や電場の揺らぎなど様々なノイズの影響によって量子ビットの値が反転してしまうといったハードウエアエラーと、関数の表現能力不足といったアルゴリズムの問題に由来するアルゴリズムエラーがある。

 アルゴリズムエラーとはどのようなものか、NISQを使った量子化学計算のアルゴリズムである「変分量子固有値ソルバー(VQE、Variational Quantum Eigensolver)」を例に説明しよう。

 VQEは分子の内部における量子状態のエネルギー期待値の表現に量子コンピューターを使用し、古典コンピューターを使ってエネルギーの基底状態を探索する量子古典ハイブリッドアルゴリズムだ。量子ビットの数が少ないと、量子状態を正しく表現できずに計算がエラーになることがある。これがVQEで起こり得るアルゴリズムエラーである。