超高精度な量子演算の実装に向けた量子トモグラフィの進展と課題 (高次元量子雑音の統計モデリング)

Abstract

量子コンピュータとは、量子性を利用した計算を行う装置の一種である。量子回路モデル(またはゲート型)に甚づく量子コンピュータでは、計算は基本量子演算を適切な順序で実行することによって進められる。もし大規模かつ高精度な量子コンピュータがあれば、既存のコンピュータが苦手と考えられている計算問題の一部を効率的に解けることが理論的に証明されている。しかしながら、現在実現している量子コンピュータの試作機はメモリサイズも演算精度もまだまだ不十分であるため、社会的または産業的に重要かつ既存のコンピュータでも扱えないサイズの計算間題を解くことができる量子コンピュータを実現するためには、さらなる大規模化(=量子ビット数の増大)と高精度化(=基本量子演算の高精度化)の両立が必要不可欠である。実験技術の進展によって、90年代から現在までに大幅な高精度化が実現された。しかしながら、産業的に価値ある計算問題を十分な精度で解くためには、さらに2桁程度の高精度化が必要と見積もられている。精度を改善するには演算中に生じているエラーやノイズを低減する必要があり、それにはそれらの詳細な情報を精確に評価することが求められる。このような評価手法としてはRandomized Benchmarking (RB)、量子トモグラフィ(QT), ゲートセットトモグラフィ(GST)など様々な手法が提案され、利用されているが、どの手法も実用上重大な欠点を抱えている。本稿では、基本量子演算の数学的な記述と、量子コンピュータ開発における精度評価手法の役割について説明する。