東大ら,量子計算機のエラーの効率的な除去に成功

東京大学,NTT,産業技術総合研究所,大阪大学は,量子計算機による量子多体計算アルゴリズムに伴う起源不明のエラーを効率的に除去する手法を開発した(ニュースリリース)。

量子計算機においては,エラー・ノイズの抑制が問題となる。特にノイズの情報が一切得られない場合に,いかにしてその影響を除去できるかが,ノイズありの中規模な量子計算機(NISQ)を活用する上での課題となっている。

研究グループは,起源不明のノイズの影響を受けた量子状態であっても,複数個を並列に準備して互いに干渉させれば,ノイズを実行的に打ち消すことができ,特に,量子多体系のエネルギー固有状態のシミュレーションにおけるエラーを効率的に抑制できることを発見した。

エネルギー固有状態とは,量子力学の基礎方程式であるシュレーディンガー方程式のもとで,時間発展をしない状態を指す。変分量子固有値ソルバ(VQE)をはじめとした,エネルギー固有状態を計算する変分量子アルゴリズムでは,計算対象となる波動関数を量子計算機に直接埋め込む方式が主流となっていた。つまり,計算対象とする量子状態を量子計算機内部で再現することが目的だった。

一方で,量子多体系を調べる上で最終的に重要なのは,量子状態の性質を抽出する点にあり,状態を直接実現することではない。実際,これまでに提案されてきた量子ハードウェアへ負荷を極力かけず計算エラーを抑える,量子エラー抑制と呼ばれる一連の手法は「低精度な演算結果をうまく組み合わせることで,高精度な演算結果を引き出す」という思想に基づく。

問題は,低精度な演算結果の組み合わせ方によっては,全く意味のない答えが得られてしまう点にある。そこで,いかにして数学的に正当な組み合わせを選びつつ,効率的なエラー除去を行なえるかが焦点となる。

研究グループは今回,「量子部分空間展開法」と呼ばれる枠組みを拡張,これまで提案されてきた量子エラー抑制法を最も一般的な形で統合した「一般化量子部分空間展開法」を提案した。

その効果が最も顕著に発揮される状況として,ノイズの影響を受けた量子状態が複数準備された状況を挙げた。例えば,さまざまな種類のノイズを受けた量子状態について,演算結果を読み出す直前に互いを干渉させる。

このような状況で得られた演算結果を組み合わせると,ハードウェア由来のノイズとアルゴリズム由来のノイズが同時に抑制され,量子部分空間展開法や仮想蒸留法などといった従来の手法に比べ,精密な計算が可能になることを示した。その結果,VQEを実行した場合,従来手法に比べてはるかに高精度に計算を行なえることが示された。

研究グループはこの成果が,演算回数などのリソースが限られた量子計算機をより堅牢にするための重要な一歩だとしている。

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