連続量変分量子アルゴリズム向けプラットフォーム確立とツールボックス開拓

• Project/Area Number: 23K17300
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 武田 俊太郎 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (80737304)
• Project Period (FY): 2023-06-30 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2025: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2024: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000); Fiscal Year 2023: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000)
• Keywords: 量子情報 / 量子アルゴリズム / 量子光学 / 連続量量子情報処理 / 光量子情報処理

Outline of Research at the Start

本研究では、近未来の小規模な量子コンピュータの実社会応用へ向けた新たな突破口を開くべく、「連続量変分量子アルゴリズム」を開拓する。この領域は、連続量のアナログ性を活かして破壊的な計算能力を発揮する可能性を秘めた、開拓に値する領域である。そこで、近年研究代表者が開発した連続量変分量子アルゴリズムを実行できる世界唯一の光量子コンピュータを進化させて活用し、連続量変分量子アルゴリズムの計算性能を最大化するツールボックスをゼロから体系化・実機検証することを目標とする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、近未来の小規模な量子コンピュータの実社会応用へ向けた新たな突破口を開くべく、「連続量変分量子アルゴリズム」を開拓することである。この領域は、連続量のアナログ性を活かすことで量子ビットでは達成できない計算能力を発揮する可能性を秘めた、開拓に値する領域である。このため、近年開発した連続量変分量子アルゴリズムを実行できる日本発・世界唯一の光量子コンピューティング・プラットフォームを進化させて活用し、連続量変分量子アルゴリズムの新たな可能性を探索するとともに、その計算性能を最大化するツールボックスを開発および実機検証する。

2023年度は、連続量の手法を量子機械学習へと応用する手法について研究を進めた。量子機械学習は、量子ビットを用いた理論・実験的研究は盛んであるが、連続量を用いたものはわずかな理論研究の報告例がある程度で、実験的研究は皆無である。今回は特に、連続量の光量子コンピュータと古典コンピュータのハイブリッドにより機械学習を行う手法に着目した。はじめに数値シミュレーションを行って、実験系の設計および実験システムの要求仕様を検討し、その成果を9月の日本物理学会にて報告した。その上で、すでに開発済みの1モード入出力の連続量光量子コンピューティングシステムにバージョンアップを加え、この機械学習アルゴリズムを実装できるように準備した。実際に量子機械学習を限られた条件で実装したところ、理論予測に近い結果が得られ、その成果を3月の日本物理学会にて報告した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

既に、光連続量量子コンピューティングシステムを部分的にバージョンアップすることに成功し、量子アルゴリズムの1つの実装に部分的に成功しているため。

Strategy for Future Research Activity

今後は、様々な問題設定で量子機械学習を実装・検証し、シミュレーション結果と比較した上で、それらの結果を論文として発表する。また、さらなる応用の可能性について理論的な考察を進める。

Research Products

• [Presentation] 光回路を用いた連続量量子機械学習の実証 (2024)
  • Author(s): 池原至恩, 穴井啓太郎, 矢野祥睦, 奥野大地, 武田俊太郎
  • Organizer: 日本物理学会 2024年春季大会
• [Presentation] Time-multiplexed programmable continuous-variable photonic quantum computing (2024)
  • Author(s): Shuntaro Takeda
  • Organizer: 2024 Joint ENS-UTokyo Workshop on Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 光量子コンピュータが拓く未来 (2024)
  • Author(s): 武田俊太郎
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第44回年次大会50周年記念特別講演会
  • Invited
• [Presentation] ループ型光量子コンピュータとその応用 (2024)
  • Author(s): 武田俊太郎
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第44回年次大会シンポジウム「フォトニクスが切り拓く光量子技術」
  • Invited
• [Presentation] 量子コンピュータの基礎から最前線まで (2024)
  • Author(s): 武田俊太郎
  • Organizer: JAIMA日本分析機器工業会中堅若手人財育成ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 量子コンピュータの基礎から最前線まで (2024)
  • Author(s): 武田俊太郎
  • Organizer: 第18回日本CAOS学会
  • Invited
• [Presentation] 光回路を用いた連続量量子機械学習の実装に向けたシミュレーション (2023)
  • Author(s): 池原至恩, 穴井啓太郎, 武田俊太郎
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] Towards practical photonic quantum computing (2023)
  • Author(s): Shuntaro Takeda
  • Organizer: Kick-off Workshop for Chicago-Tokyo Quantum Partnership
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Time-multiplexed programmable continuous-variable photonic quantum computing (2023)
  • Author(s): Shuntaro Takeda
  • Organizer: Conference on Quantum Information
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Time-multiplexed programmable continuous-variable photonic quantum computing (2023)
  • Author(s): Shuntaro Takeda
  • Organizer: Photonics and Electromagnetics Research Symposium (PIERS) 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Time-multiplexed programmable continuous-variable photonic quantum computing (2023)
  • Author(s): Shuntaro Takeda
  • Organizer: SPIE Quantum Communications and Quantum Imaging XXI Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Time-multiplexed programmable continuous-variable photonic quantum computing (2023)
  • Author(s): Shuntaro Takeda
  • Organizer: The 18th ASLLA symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 光量子コンピュータの現状と展望 (2023)
  • Author(s): 武田俊太郎
  • Organizer: 第158回結晶工学分科会研究会「量子技術と結晶工学」
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 光量子コンピュータの現状と展望 (2023)
  • Author(s): 武田俊太郎
  • Organizer: 令和５年度「第1回 量子技術研究会」
  • Invited
• [Presentation] 光量子コンピュータの現状と展望 (2023)
  • Author(s): 武田俊太郎
  • Organizer: JEITAシーンオリエンテッド先端実装技術分科会
  • Invited
• [Presentation] ループ型光量子コンピュータとその応用 (2023)
  • Author(s): 武田俊太郎
  • Organizer: 光産業技術振興協会フォトニックデバイス・応用技術研究会第32回ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 光量子コンピュータの現状と展望 (2023)
  • Author(s): 武田俊太郎
  • Organizer: 真空フォーラム・シンポジウム
  • Invited