100万量子ビットの処理も可能な光量子コンピュータの実現法 - 東大が発明

東京大学(東大)は9月22日、1本の光路上で一列に連なった光パルスを用いる手法を活用して、どれほど大規模な計算であっても最小規模の回路構成で効率よく実行できる光量子コンピュータ方式を発明したと発表した。

同成果は、同大 工学系研究科の古澤明 教授と同 武田 俊太郎 助教によるもの。詳細は、米国物理学会が発行する学術雑誌「Physical Review Letters」に掲載された。

光を用いた量子コンピュータは、室温・大気中でも動作し、他のシステムで必要な巨大な冷却装置や真空装置が不要であるため、実用化に有利とされてきたが、その大規模化は長年の課題となってきた。従来、光量子コンピュータを実現する方法として、情報を乗せた多数の光パルスを多数の光路上に同時に準備し、それらを光回路によって処理する方式が考えられてきたが、この方法では、計算量の増加に併せて回路規模も増大し、実用レベルの計算を行うためには、膨大なスペースと光学部品が必要となり、10量子ビット程度の計算が限界とされていた。

一方で、近年の研究から、1本の光路上に多数の光パルスを一列に並べる方式では、従来よりも桁違いに大量の情報を扱えることが分かってきたほか、この大規模な量子もつれ状態の光パルス群を用いれば、大規模な計算が実現できることも分かってきた。ただし、この計算手法は計算に用いない不要な光パルスが大量に発生するため非効率的であり、それらの不要な光パルスを消去する処理が増える分、計算ステップ数の増加や計算精度が制限されるという問題があったことから、量子もつれ状態の光パルス群を用いた大規模計算はいまだ実現には至っていないのが実情であった。

今回、研究チームは、光路上で一列に連なった光パルスを用いる手法を生かしながら、ループ構造を持つ光回路を用いた手法により、計算の基本単位となる「量子テレポーテーション」回路1個を無制限に繰り返し用いて大規模な計算を行うことを可能とした。これにより、従来の多数の光パルスを空間的に並べて処理する方式では、計算量の増加と共に量子テレポーテーション回路ブロックを増加させる必要があったが、1ブロックの回路上で光パルスが周回できるようになったため、1個の量子テレポーテーション回路の機能を、加算、乗算といった用途別に切り替えながら繰り返し用いることが可能となったという。

量子テレポーテーションを用いた従来の光量子コンピュータ方式(左)と今回発明された光量子コンピュータ方式(右)。従来は光の進路に沿って、計算の基本ブロックである量子テレポーテーション回路を複数ブロック配置する必要があったが、今回の発明方式は、一列に連なった多数の光パルスが、1ブロックの量子テレポーテーション回路を何度もループする構造であるため、多数のブロックの役割を1つのブロックで担うことが可能となる。そのため、計算ステップ数を無制限に大きくできるため、大規模な計算も実行可能になるという (出所:JST Web)

構成要素となる量子テレポーテーション回路ブロックは、量子テレポーテーション回路とループ構造のみで構成されており、そのループ内で光パルスを周回させ続ければ、1個の量子テレポーテーション回路を回数の制限なしに利用できるため、大規模な計算でも実行可能であることから、研究チームでは、量子テレポーテーション回路の機能の切り替えパターンを適切に設計することで、すべての光パルスを使って無駄なく効率のよい手順であらゆる計算が最小規模の光回路で実行でき、かつ計算に不要な光パルスが大量に発生することも抑えることができることから、大規模かつ汎用の光量子コンピュータの実現が可能になると説明しており、同方式を発展させることで、原理上100万個以上の量子ビットを何ステップも処理するような、従来とは文字通り桁違いの大規模量子計算が実行できるようになることが見込まれるとしている。

大規模量子もつれ生成実験装置。光を用いた量子コンピュータの研究の場合、装置を冷やす必要がなく、室温で実験が可能という特徴がある (編集部撮影)

なお、研究チームでは、今回の手法について、実用レベルまで大規模化しうる光量子コンピュータのデザインを追求した先に見いだした、「究極の光量子コンピュータ方式」であると言えるとしており、原理的にはどれほど複雑かつ大規模な計算でも実現できるため、将来的にはさまざまな量子アルゴリズムやシミュレーションを実行するための標準的プラットフォームになると考えられると述べているほか、最小規模の光回路しか必要としないことから、大規模な量子コンピュータの実装に必要なリソースやコストを減少させ、光量子コンピュータ開発にイノベーションをもたらすことが期待されるとしており、今後は、同方式の光量子コンピュータにおける計算精度や各種アルゴリズムの実装方法についての解析を進めながら、実際に同方式での大規模量子コンピュータ開発に取り組んでいく計画としている。

古澤教授らが2015年に発表した量子テレポーテーション回路の一部を光チップ上に実現したもの。古澤教授らは、最終的には量子テレポーテーション回路全体も小型の光チップで実現できると考えており、今回の方式が光チップ上で実現できれば、小型の量子コンピュータの実現も可能になると期待される (編集部撮影)

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