| Project/Area Number |
22KJ1436
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| Project/Area Number (Other) |
22J20882 (2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022) |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 60040:Computer system-related
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| Research Institution | The Graduate University for Advanced Studies |
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Principal Investigator |
西尾 真 総合研究大学院大学, 複合科学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
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| Keywords | 量子多重化 / 表面符号 / HGP符号 / グラフ状態 / 量子誤り訂正符号 / 量子インターコネクト / フォールトトレラント量子計算 / 量子プログラミング言語 / マルチコア量子計算 / 時間多重 / 量子回路最適化 / Defect Braiding / プログラミング言語 |
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| Outline of Research at the Start |
大規模なフォールトトレラント量子計算実現の為、量子インターコネクトやマジック状態蒸留、符号スイッチンク等を含む量子計算機クラスタを設計し、それらを効率的に扱うためのシステムソフトウェアを定式化する。1年目には、量子計算機クラスタ上のプログラミング言語やフォールトトレラント量子回路最適化問題の定式化を行う。2年目には、クラスタ上に量子回路や量子変数を割り当てるシステムソフトウェアの定式化・設計を行う。3年目には、量子誤り訂正符号変換プロトコルを定義し、ユニハーサルゲートセット実現の為の符号スイッチングや、量子計算と量子インターコネクトで異なる符号間の変換コストを評価する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は複数量子プロセッサから成る量子計算機クラスタにおける、量子インターコネクトのリソースの削減に関する研究を行なった。
1.時間多重光子を用いることで、表面符号やハイパーグラフ積符号（HGP符号）を用いた量子通信に必要となる光子数を大幅に削減しながら同等の誤り率を達成したり、同等の光子数でより符号距離が大きくロバストな量子通信が可能となることを示した。この手法はフォールトトレラント分散量子計算のボトルネックとなりうる量子インターコネクトのより効率的な実装を可能とする。
2.測定型量子計算や様々な量子計算・通信における重要なリソース状態であるグラフ状態に関する研究を行なった。局所補グラフと呼ばれるグラフ理論的操作と低コストな単一量子ビットゲートを用いることで、特に次数の高いグラフ状態の必要とするエンタングルメントが大幅に削減できることを示した。
3.前年度に定式化を行なった、量子計算機クラスタ上における量子プログラミング言語InQuIRの応用に関する検討を行なった。InQuIRプログラムの静的解析やリソース解析のためのシステムの概念実装を行なった。
これらの成果は量子クラスタ上のフォールトトレラント量子計算の実現可能性を高め、計算機科学的理解を進展させるものである。研究の成果を元に、Physical Review A及びプレプリントサーバーarXivに論文を掲載した。また、 Quantum Error Correction 2023、Quantum Information Processing 2024、2024 YITP Quantum Error Correction Workshopにおいて発表を行なった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2024年度は、量子計算機クラスタに必要となる量子通信の頑健性の検証と、効率的な回路の割り当てを行うためのグラフ状態の最適化に関する研究を行なった。このうち、グラフ状態の最適化は当初の計画にはなかったが、研究計画における項目２(クラスタ上に量子プログラムを割り当てるシステムソフトウェア)と共に用いることで、量子計算に必要となるリソースを大幅に削減することができる。さらに、この最適化手法は既存の最適化手法に比して計算量的に優れ、項目3(量子プログラム最適化ソフトウェアのスケーラビリティ評価)において活用が期待できる。
また、最終年度に向け、表面符号を用いた新しい量子計算機クラスタのアーキテクチャの検証を開始した。これは当初の計画よりもさらに現実的な物理系におけるシステムであり、実用性が高い。このアーキテクチャは2025年度の上半期に成果が見込まれる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、前年度までに得られた量子通信や誤り訂正符号に関する知見を活かし、効率的な量子計算機クラスタを設計する。近年になって共振器量子電磁力学を用いたデバイスの性能の向上が著しく、優れたスケーラビリティや柔軟な量子ビット間相互作用から量子情報処理における活用への期待が高まっている。さらに、このような系において効率的に実装可能なLDPC符号も提案されている。これらを用いた際に、大規模な量子計算機クラスタを構築した場合に必要となるシステムソフトウェアを設計・評価し、全体的なオーバーヘッドを評価する。この際、魔法状態蒸留のスループットや誤り訂正符号の復号器がシステム全体に与える影響を評価する。
さらに、量子計算機クラスタ上における量子プログラミング言語InQuIRを用いることで、計算機クラスタにおいて検証するべき物理的制約の軽量な静的解析を設計する。
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