中規模量子コンピュータ向け「ハイブリッド量子誤り削減法」をNTTなどが提案

NTTと科学技術振興機構(JST)は3月18日、量子誤り訂正と量子誤り抑制を組み合わせ、実用化のために必要な量子コンピュータの規模を従来に比べ最大で80％削減する「ハイブリッド量子誤り削減法」を提案したことを発表した。

同成果は、NTTと大阪大学(阪大) 量子情報・量子生命研究センターの共同研究によるもの。詳細は、量子情報科学と技術に関する全般を扱うオープンアクセスジャーナル「PRX Quantum」に掲載された。

量子コンピュータ開発における課題の1つとなっているのが、重ね合わせ状態が環境のノイズによって壊れやすいことに起因する量子ビットの高い誤り率であり、この課題解決に向け、「量子誤り訂正」と「量子誤り抑制」の2つの誤り対策手法の研究が進められているが、どちらも一長一短がある。

量子誤り訂正は、利用する量子誤り訂正符号を大きくすることで誤り率を任意の値まで小さくすることが可能だが、実用的な計算を実行しようとすると、符号化のために数千万量子ビットといった膨大な量子ビット数が必要となってしまうことから、実現はしばらく先と考えられている大規模量子コンピュータ向けとされている。

一方の量子誤り抑制は、追加の量子ビットをほとんど必要としないため、小規模な量子コンピュータに対しても容易に適用可能だが、計算量が大きくなって計算中に生じる誤りの平均個数が多くなると、最終的な推定量の分散が大きくなり、計算結果が不正確になってしまうという課題があり、中規模以上では利用できなくなると考えられている。

こうした背景のため、近い将来に実現が期待されている中規模量子コンピュータに対して、有効な誤り対策手法がないのが現状であり、それが実用的な中規模量子コンピュータの登場に、まだ時間を要すると考えられる理由になっているという。

そこで研究チームは今回、量子誤り訂正と量子誤り抑制を組み合わせ、中規模量子コンピュータで信頼性のある計算を行う「ハイブリッド量子誤り削減法」を提案することにしたという。

ハイブリッド量子誤り削減法で鍵となるのは、実装が容易な量子誤り訂正符号で削減された誤り率を、さらに後続の量子誤り抑制で取り除くという二重の誤り対策構造だという。量子誤り抑制は、追加の量子ビットを要さないが、計算途中にさまざまな量子コンピュータの演算を追加できることが前提だが、量子誤り訂正符号で符号化された論理量子ビットに対して効率的に行える操作は限られることから、量子誤り訂正を適用した後に残る誤りを、この限定された操作だけを用いて量子誤り抑制で取り除けるかは良く分かっていなかったとする。

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  量子誤り訂正の概念図 (出所:NTT Webサイト)

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  量子誤り抑制の概念図 (出所:NTT Webサイト)

今回の研究では、「probabilistic error cancellation」という量子誤り抑制手法を採用することで、量子誤り訂正において誤りを検出、推定する古典コンピュータの情報処理を少し書き換えるだけで、量子誤り抑制を実行できることが示されたという。古典コンピュータの処理を計算中に書き換えることは、量子コンピュータの処理を追加するよりも遥かに実行しやすいため、ハイブリッド量子誤り削減法を実装することは容易であり、この方式により、量子誤り訂正符号で誤りを取り切らずとも後続の量子誤り抑制手法が誤りを削減でき、要求される冗長化の度合いを減らすことが可能となるとする。その結果、所望の小さな誤り率を持つ量子コンピュータを構成するのに必要な量子ビット数を減らすことができるようになり、例えばハイブリッド量子誤り削減法なら、素朴な量子誤り訂正を用いた場合に比べ、必要な量子ビットの数を最大で80％削減できることが示されたという。

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  ハイブリッド量子誤り削減法の削減度合い (出所:NTT Webサイト)

研究チームによると、ハイブリッド量子誤り削減法は、誤り訂正を用いた計算機にほとんど負荷なしに実装できるため、従来行われてきた実用化までのハードウェア要求全般を緩和できるとするほか、今回はprobabilistic error cancellation法の実装が提案されたが、ほかにも多様な量子誤り抑制法が誤り訂正符号と両立する形で実装可能となり、提案した指針の延長線上でさらなる効率化が期待されるとする。

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  ハイブリッド量子誤り削減法の概要図 (出所:NTT Webサイト)

なお、量子誤り訂正符号上で行う量子誤り抑制は、計算の誤りを削減するだけでなく量子誤り訂正符号上の量子計算において負荷の重い一部の操作を軽量化したり、分散量子コンピュータにおける通信の負荷を軽減したりすることにも活用可能ともしており、量子コンピュータのコンパイラ最適化においても、広い用途に利用することが可能だともしており、研究チームでは、複数の誤り対策手法を組み合わせた誤り耐性量子計算機という新たな方向性が今回提示されたことにより、量子コンピュータの開発がさらに進展することも期待されるとしている。