大阪大と富士通、新たな量子計算技術を確立–高精度なエラー訂正で量子コンピューターの実用化早める

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　大阪大学と富士通は3月23日、量子コンピューターの実用化を早める技術として「高効率位相回転ゲート式量子計算アーキテクチャ」を確立したと発表した。量子コンピューターの実現に不可欠な「量子エラー訂正」に必要な物理量子ビット数を大幅に低減するものになる。

　量子コンピューターの基礎となる量子ビットの状態はさまざまなノイズの影響を受けて変わってしまうことから、正しい計算結果を得るためには量子エラー訂正が不可欠だと考えられている。従来想定されていた量子コンピューターのアーキテクチャーでは、誤り耐性を持つ量子コンピューター（FTQC：Fault Tolerant Quantum Computer）を実現するためには100万量子ビットが必要とされている。

　現在開発されている量子コンピューターは、2022年11月に発表されたIBMの「IBM Quantum Osprey」でも433量子ビット、2023年中に発表予定の「IBM Quantum Condor」で1121量子ビットで、FTQCを実現できる段階ではない。現在の量子コンピューターは「NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）」と呼ばれ、ノイズ訂正機能がない小規模なシステムで量子アルゴリズムの開発や、ノイズの影響を受けたとしても十分実用的な結果が得られるような計算のために利用するなど、制約を踏まえた形で活用方法を探っている状況だ。

　さらに、現在のNISQと将来的なFTQCの間に位置付けられる「Early-FTQC」という段階では、おおむね量子ビット数で1万程度のシステムがイメージされているが、現時点のアーキテクチャーではエラー訂正をきちんと実現することはできないことから、規模的には現状の10～100倍程度に大型化するものの本質的には「大きくなったNISQ」にとどまり、量子コンピューターとしての性能を発揮することはできないものと考えられていた。

　今回の発表は、従来FTQCを実現するために必要となると想定されていた量子ビット数を約10分の1に削減することでEary-FTQC段階の1万量子ビット程度の量子コンピューターでも、「現行コンピューターにおける最高性能の約10万倍に相当する64論理量子ビットの量子コンピューターを構築することが可能」となるという。

　大阪大学 量子情報・量子生命研究センター 副センター長 兼 大阪大学大学院 基礎工学研究科 システム創成専攻 電子光科学領域 量子コンピューティング研究グループの藤井 啓祐教授は、まず研究体制について説明した。量子情報・量子生命研究センターは2020年に設置、2021年には独立組織として改組され、科学技術振興機構（JST）の「共創の場 形成支援プログラム（COI-NEXT）」で「量子ソフトウェア開発拠点」としても採択されており、「日本における量子技術／イノベーション戦略における非常に重要な一端を担う研究開発を進めている」とした。

　続いて、富士通 研究本部 量子研究所 所長の佐藤信太郎氏が新技術の概要を説明した。同社は2020年から大阪大学と共同開発を進めており、2021年10月には大阪大学と共同で「富士通量子コンピューティング共同研究部門」を量子情報・量子生命研究センター内に設置している。

　佐藤氏はまず、量子コンピューターのエラー訂正の重要性について説明。量子コンピューターによる計算の「正確さ」は、「量子ビットの正確さ」を「量子ビット数×量子ゲート操作回数」で累乗したものになるという。仮に、量子ビット単体の正確さが99.9％（0.999）で、この量子ビットを50個集めた量子コンピューターで20回の量子ゲート操作を行うとすると、この計算全体の正確さは0.999の1000乗で約0.368というレベル（正しい計算結果が得られている確率は36.8％）に低下してしまう。量子ビット数や量子ゲート操作回数が増えれば増えるほどエラーの影響が大きくなってしまう形だ。

　量子エラー訂正では、まず複数の物理量子ビットを集めて1つの論理量子ビットを形成し、この冗長性によって正確さを担保するというやり方が考えられている。現在想定されているFTQCで100万量子ビットが必要と言っているのは、現行のスーパーコンピューターなどと比較して十分に性能優位になる（量子コンピューターを使う意味が出てくる）にはどのくらいの論理量子ビット数が必要かを想定し、その数の論理ビット数を確保するためには物理量子ビット数はどの程度必要かを見積もった結果、ということになる。