入れ子構造で量子コンピュータのノイズと戦う
山崎 隼汰（物理学専攻 助教）
人類は今，原子や弱い光を舞台として起こるミクロな物理現象を，量子力学の法則に従って高い精度で制御する技術を手にしつつある。
こうした量子技術の活用先として注目されるのが量子コンピュータだ。
従来のコンピュータは０と１をとるビットを情報処理の単位として計算を行う。
量子コンピュータは０と１の重ね合わせ状態をとる量子ビットを使うことで，従来のコンピュータでは実現が難しい高度な情報処理を可能にする。
我々の研究では量子コンピュータの計算実行手順を大幅に効率化する手法を開発し，その実現に向けて大きく歩を進めた。
量子コンピュータは多数の量子ビットから構成されるが，量子ビットが担う量子の情報は壊れやすく，計算の途中で小さなノイズの影響を受けてどうしてもエラーが生じてしまう。そのため，大規模な量子コンピュータを実現するには，エラーから情報を守りながら計算を進める「誤り耐性量子計算」の仕組みが不可欠だ。誤り耐性量子計算では，量子ビットの情報をより多数の量子ビットで表す符号を使うことで，個々の量子ビットに生じるエラーを訂正しながら計算を進める。全世界的に開発が進んでいる量子コンピュータの実機は現状，エラー訂正を十分に行えないため，ノイズの影響が積み重なってしまい大規模な計算を正しく行うことができない。しかし今後の技術開発により，誤り耐性量子計算が可能になれば，大規模な計算を実行できる有用な量子コンピュータの実現につながることが期待される。
ただ，誤り耐性量子計算ではたくさんの量子ビットを追加して複雑な計算手順を踏む必要があるため，量子ビット数の少なさ（高効率性）と計算の速さ（高速性）をバランス良く両立した計算手順を設計しなければならないという難しい課題がある。誤り耐性量子計算に関する既存の理論研究の手法では，高効率性と高速性のいずれかが大きく犠牲になってしまう状況だった。例えば誤り耐性量子計算の初期の研究で提案された手法では，１個の量子ビットの情報をノイズから守る単純な符号を入れ子のように重ねることでエラー訂正能力を高めていた。入れ子構造は単純なので，比較的高速に計算を実行できる。しかし大量の量子ビットを必要として効率が悪いという問題があった。
誤り耐性を生みだす量子ビットの入れ子構造
これに対し今回の研究では，１個ではなく複数の量子ビットを守る単純な符号を重ねて，特殊な入れ子構造を持つ符号として使う誤り耐性手法を新たに開発した（図）。単純な符号を組み合わせる入れ子構造によって，計算速度の低下を抑えると同時に，複数の量子ビットを守る符号を使うことで，量子ビットの数を抑えて効率性も高めるのが狙いだ。これにより，従来の入れ子構造の欠点を克服し，高効率性・高速性を初めて両立することが可能となった。従来の入れ子構造の符号では，量子ビット１個の情報を守るために追加する量子ビットの数を10個，100個，1000個と増やしてエラー訂正能力を高める必要があった。しかし提案手法では量子ビット１個あたり40個程度の量子ビットの追加で，原理的にはエラー訂正能力をいくらでも高められる。したがって，大規模な量子コンピュータの実現に向けて，ハードウェアの開発にかかる負担を軽減する可能性を開拓することとなり，今後の量子コンピュータ開発における基盤技術として幅広い活用が期待される。
本研究成果はH. Yamasaki, M. Koashi, Nature Physics 20, 247（2024）に掲載された。