東大,量子コンピューターの高速デバッグ法を開発

東京大学は,追跡は困難だと考えられていた量子コンピューターの内部で発生する量子的なエラーの影響を,正確かつ高速に評価する数値計算手法を新たに提案した(ニュースリリース)。

量子コンピューターを構成する量子ビットは0と1に加え,0と1の連続的な「重ね合わせ状態」をとることができる。この重ね合わせ状態を用いると,ビットの値が0の場合の計算と1の場合の計算が同時に実行される。量子コンピュータは,このようなある種の並列計算によって演算を高速化していると考えられているが,これが量子力学のどんな性質に由来しているのかは,正確にはよくわかっていない。

量子ビットに発生するエラーには,通常のビットと同様に「0だったビットが稀に1になってしまう」というようなデジタル的なビットエラーと,量子特有の「0と1の重ね合わせの『比率』が少しだけずれてしまう」という量子的なエラーがある。量子コンピュータの開発においては、このような素子のエラーが,どのように積み重なって間違った計算結果を生んでしまうのかを正しく把握することが重要となる。

ところが,量子的なエラーは,それ自身が新たな重ね合わせ状態を生み出すために,その影響を単純に追跡しようとすると,膨大な並列計算を行なうのと同じような困難に直面する。量子コンピューターの規模が大きくなると,この追跡はスーパーコンピューターでも不可能となり,量子コンピューターでなければできない,というジレンマに陥ることが危惧されていた。

研究グループは,量子コンピューターが量子的なエラーを訂正していく機構と,もともとは物性物理の分野で知られていた,フェルミ粒子の運動を表す物理モデルとが同一と見なせることを示した。計算機としては,複雑な重ね合わせの状態を経由していくように見える機構が,粒子の運動と見なすことで,通常のコンピューターで計算できる単純な時間変化に置き換えられる。

この手法により,従来不可能だと考えられていた,量子的なエラーを考慮した素子に要求される性能を,通常のコンピューターで高速かつ正確に計算することができる。これは,上記のジレンマを解消するもので,実用的な量子コンピュータの開発の促進につながる成果。

また,複雑な重ね合わせ状態の中には,見かけだけのものがあるという発見は,「量子コンピュータはなぜ速いのか?」という根本的な問題の解明により深く迫るものだとしている。

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