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2022 Fiscal Year Annual Research Report

量子アルゴリズムの理論と実装を接続する革新的基盤の創出

Planned Research

Project AreaCreation and Organization of Innovative Algorithmic Foundations for Leading Social Innovations
Project/Area Number 20H05966
Research InstitutionRitsumeikan University

Principal Investigator

山下 茂  立命館大学, 情報理工学部, 教授 (30362833)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 山本 直樹  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (40513289)
ルガル フランソワ  名古屋大学, 多元数理科学研究科, 教授 (50584299)
森 立平  東京工業大学, 情報理工学院, 助教 (60732857)
谷 誠一郎  日本電信電話株式会社NTTコミュニケーション科学基礎研究所, メディア情報研究部, 特別研究員 (70396183)
西村 治道  名古屋大学, 情報学研究科, 教授 (70433323)
Project Period (FY) 2020-11-19 – 2025-03-31
Keywords量子計算 / 計算理論 / 実践的利用
Outline of Annual Research Achievements

量子分散検証プロトコルや量子証明の多項式時間検証の文脈で、量子情報理論のツールである量子デフィネッティ定理の量子計算量的検証への新たな利用を得た。特に、代表的なQMA問題である群非所属問題の量子証明の検証を行う対話型証明プロトコルを、同定理を軸にして構築した。
動的計画法と分岐アルゴリズムを組み合わせ、分岐アルゴリズムに Groverのアルゴリズムを適用することで、グラフ彩色問題に対して、現在知られている古典の最速の古典アルゴリズムより高速な量子アルゴリズムを開発した。
能力が限定された量子計算モデルに関する研究として、大規模な量子回路を小規模な量子回路に分割し、それらを小規模な量子計算機で模倣して統合する手法を数学的に解析し、全体を模倣するために要する計算量を理論的に評価した。また、元の量子回路のグラフ的性質と、模倣に要する計算量との関係についても考察を行った。
入力が分散された設定での量子分散アルゴリズムの研究を行った。まず、様々なグラフ問題に対して、古典分散アルゴリズムより高速な量子分散アルゴリズムを構築した。次に、限定されたネットワークトポロジーにおいて、量子分散計算の計算能力を解析するための新しい手法を開発し、量子分散計算による高速化の限界も明らかにした。
分子設計のための原子配置最適化問題を、量子計算機で実現するための方法を開発した。とくに、決定変数を徐々に減らすことで、実機実現の負荷を下げる方策を導入した。手法を6量子ビット実機で実装し、当時ほぼ世界最大演算数の量子アルゴリズム実機検証を行った。
位相がずれるトフォリゲート(RTOF)は通常のトフォリゲートより実現コストが小さいことが知られている。RTOFを用いたブール量子回路を設計し、その位相を効率的に修正する付加回路を追加することにより全体としてブール量子回路の実現コストを削減する手法を開発した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

予定している各研究項目でそれぞれ検討が順調に進んでいるため。

Strategy for Future Research Activity

引き続き量子計算の各種のモデルにおける計算能力の解析を行う理論的なアプローチと、実際に量子計算機を利用する実践的なアプローチの両面から様々な項目の研究を進め、将来実現する量子計算機を有効に利用するための計算基盤の構築を目指す。そのために、①万能量子計算モデルに関する研究、 ②能力が限定された量子計算モデルに関する研究、③測定ベース量子計算モデルに関する研究、④量子分散計算モデルに関する研究、⑤量子回路モデルに関する研究、⑥実践的な量子計算の利用に関する研究 などの項目に関して新たな知見を得る研究を推進する。

  • Research Products

    (35 results)

All 2023 2022

All Journal Article (14 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 13 results,  Open Access: 11 results) Presentation (19 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Invited: 2 results) Book (2 results)

  • [Journal Article] Distributed Quantum Interactive Proofs2023

    • Author(s)
      Francois Le Gall, Masayuki Miyamoto, Harumichi Nishimura
    • Journal Title

      Proceedings of the 40th International Symposium on Theoretical Aspects of Computer Science (STACS 2023)

      Volume: - Pages: 42:1--42:21

    • DOI

      10.4230/LIPIcs.STACS.2023.42

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] An SMT-Solver-Based Synthesis of NNA-Compliant Quantum Circuits Consisting of CNOT, H and T Gates2023

    • Author(s)
      Seino Kyohei, Yamashita Shigeru
    • Journal Title

      Proceedings of the 28th Asia and South Pacific Design Automation Conference

      Volume: - Pages: 196-201

    • DOI

      10.1145/3566097.3567931

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] An Efficient Method to Decompose and Map MPMCT Gates That Accounts for Qubit Placement2023

    • Author(s)
      MATSUO Atsushi, HATTORI Wakaki, YAMASHITA Shigeru
    • Journal Title

      IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences

      Volume: E106.A Pages: 124-132

    • DOI

      10.1587/transfun.2022EAP1050

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] An optimal oracle separation of classical and quantum hybrid schemes2022

    • Author(s)
      Atsuya Hasegawa, Francois Le Gall
    • Journal Title

      Proceedings of the 33rd International Symposium on Algorithms and Computation (ISAAC 2022)

      Volume: - Pages: 6:1-6:1

    • DOI

      10.4230/LIPIcs.ISAAC.2022.6

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Quantum Approximate Counting for Markov Chains and Application to Collision Counting2022

    • Author(s)
      Francois Le Gall, Iu-iong Ng
    • Journal Title

      Quantum Information and Computation

      Volume: 22 Pages: 1261-1279

    • DOI

      10.26421/QIC22.15-16-1

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Bounds on Oblivious Multiparty Quantum Communication Complexity2022

    • Author(s)
      Le Gall Francois, Suruga Daiki
    • Journal Title

      Proceedings of the 15th Latin American Theoretical Informatics Symposium (LATIN 2022)

      Volume: - Pages: 641-657

    • DOI

      10.1007/978-3-031-20624-5_39

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Dequantizing the Quantum singular value transformation: hardness and applications to Quantum chemistry and the Quantum PCP conjecture2022

    • Author(s)
      Gharibian Sevag, Le Gall Francois
    • Journal Title

      Proceedings of the 54th ACM Symposium on Theory of Computing (STOC 2022)

      Volume: - Pages: 19-32

    • DOI

      10.1145/3519935.3519991

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Optimization of Quantum Boolean Circuits by Relative-Phase Toffoli Gates2022

    • Author(s)
      Kuroda Shohei, Yamashita Shigeru
    • Journal Title

      Proceedings of RC 2022

      Volume: - Pages: 20-27

    • DOI

      10.1007/978-3-031-09005-9_2

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Space-Bounded Unitary Quantum Computation with Postselection.2022

    • Author(s)
      Seiichiro Tani
    • Journal Title

      Proceedings of the 47th International Symposium on Mathematical Foundations of Computer Science (MFCS 2022), Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs)

      Volume: 241 Pages: 81:1-81:15

    • DOI

      10.4230/LIPIcs.MFCS.2022.81

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Computational self-testing for entangled magic states2022

    • Author(s)
      Akihiro Mizutani, Yuki Takeuchi, Ryo Hiromasa, Yusuke Aikawa, Seiichiro Tani
    • Journal Title

      Physical Review A

      Volume: 106 Pages: L010601

    • DOI

      10.1103/physreva.106.l010601

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Divide-and-conquer verification method for noisy intermediate-scale quantum computation2022

    • Author(s)
      Yuki Takeuchi, Yasuhiro Takahashi, Tomoyuki Morimae, Seiichiro Tani
    • Journal Title

      Quantum

      Volume: 6 Pages: 758

    • DOI

      10.22331/q-2022-07-07-758

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Sumcheck-based delegation of quantum computing to rational server2022

    • Author(s)
      Yuki Takeuchi, Tomoyuki Morimae, Seiichiro Tani
    • Journal Title

      Theor. Comput. Sci.

      Volume: 924 Pages: 46-67

    • DOI

      10.1016/j.tcs.2022.04.016

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Graph Kernels Encoding Features of All Subgraphs by Quantum Superposition2022

    • Author(s)
      Kishi Kaito, Satoh Takahiko, Raymond Rudy, Yamamoto Naoki, Sakakibara Yasubumi
    • Journal Title

      IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems

      Volume: 12 Pages: 602~613

    • DOI

      10.1109/JETCAS.2022.3200837

  • [Journal Article] Exponential-Time Quantum Algorithms for Graph Coloring Problems2022

    • Author(s)
      Kazuya Shimizu,Ryuhei Mori
    • Journal Title

      Algorithmica

      Volume: 84 Pages: 3603-3621

    • DOI

      10.1007/s00453-022-00976-2

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Improved Hardness Results for the Guided Local Hamiltonian Problem2023

    • Author(s)
      Sevag Gharibian
    • Organizer
      26th Conference on Quantum Information Processing (QIP 2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Hybrid Quantum-Classical Search Algorithms2023

    • Author(s)
      Ansis Rosmanis
    • Organizer
      26th Conference on Quantum Information Processing (QIP 2023)
  • [Presentation] 群非所属問題の証拠生成に対する検証プロトコル2023

    • Author(s)
      川合達也, 西村治道
    • Organizer
      第8回量子ソフトウェア研究会
  • [Presentation] Divide-and-conquer verification method for noisy intermediate-scale quantum computation2023

    • Author(s)
      Yuki Takeuchi,Yasuhiro Takahashi,Tomoyuki Morimae,Seiichiro Tani
    • Organizer
      26th Conference on Quantum Information Processsing (QIP 2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A SAT approach to the initial mapping problem in SWAP gate insertion for commuting gates2023

    • Author(s)
      Atsushi Matsuo, Shigeru Yamashita, Daniel Egger
    • Organizer
      第8回量子ソフトウェア研究発表会
  • [Presentation] SMTソルバを用いたNNA制約を満たす量子回路の合成手法2023

    • Author(s)
      清野恭平、山下茂
    • Organizer
      電子情報通信学会VLD/HWS研究会
    • Invited
  • [Presentation] Quantum Distributed Computing2022

    • Author(s)
      Francois Le Gal
    • Organizer
      Workshop on Advances in Distributed Graph Algorithms (ADGA 2022)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Power of Distributed Quantum Merlin-Arthur Proofs2022

    • Author(s)
      Harumichi Nishimura
    • Organizer
      SUSTech-Nagoya Workshop on Quantum Science 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Computational self-testing for entangled magic states2022

    • Author(s)
      A. Mizutani,Y. Takeuchi,R. Hiromasa,Y. Aikawa,S. Tani
    • Organizer
      Beyond IID in Information Theory 10 (Beyondiid10)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Space-Bounded Unitary Quantum Computation with Postselection2022

    • Author(s)
      Seiichiro Tani
    • Organizer
      47th International Symposium on Mathematical Foundations of Computer Science (MFCS 2022)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 計算量的仮定に基づくエンタングルしたマジック状態のセルフテスト2022

    • Author(s)
      水谷 明博,竹内 勇貴,廣政 良,相川 勇輔,谷 誠一郎
    • Organizer
      電子情報通信学会 技術研究報告 量子情報技術(QIT)
  • [Presentation] グラフ状態の生成とランク幅2022

    • Author(s)
      隈部壮、森立平
    • Organizer
      第47回量子情報技術研究会
  • [Presentation] グラフ状態の生成における最適なクリフォード回路2022

    • Author(s)
      吉村友成、森立平
    • Organizer
      第46回量子情報技術研究会
  • [Presentation] Optimal Synthesis of NNA-Compliant Quantum Circuits in 2-D Architectures by Utilizing Don’t Care Conditions2022

    • Author(s)
      Kyohei Seino, Shigeru Yamashita
    • Organizer
      SASIMI 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Mapping to Nearest-Neighbor Architectures by Applying Gaussian Elimination Iteratively2022

    • Author(s)
      Zanhe Qi, Shigeru Yamashita
    • Organizer
      第47回量子情報技術研究会
  • [Presentation] Determining Initial Qubit Layouts for Steiner-Gauss Elimination2022

    • Author(s)
      Yu Huan, Shigeru Yamashita
    • Organizer
      第47回量子情報技術研究会
  • [Presentation] Using S Gates and Relative Phase Toffoli Gates to Improve T-Count depth in Quantum Boolean Circuit2022

    • Author(s)
      David Clarino, Shigeru Yamashita
    • Organizer
      第47回量子情報技術研究会
  • [Presentation] Mapping to Nearest-Neighbor Architectures by Appling Gaussian Elimination Iteratively2022

    • Author(s)
      Zanhe Qi, Shigeru Yamashita
    • Organizer
      AQIS 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Improving Steiner-Gauss Elimination by Changing Initial Qubit Layout2022

    • Author(s)
      Yu Huan, Shigeru Yamashita
    • Organizer
      AQIS 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Book] 量子技術の実用化と研究開発業務への導入方法2023

    • Author(s)
      前園涼、藤原彰夫、小林正人、増田幸一郎、間瀬英之、吉原文樹、世永公輝、佐藤隆博、赤木浩、永山翔太、小坂英男、山崎歴舟、宮本和明、西野哲朗、上西慧理子、手塚宙之、佐藤勇気、山内薫、ローツステット・エリック、秋笛清石、山下茂、他総勢60名
    • Total Pages
      483
    • Publisher
      技術情報協会
    • ISBN
      978-4861049156
  • [Book] 基礎から学ぶ量子計算2022

    • Author(s)
      西村治道
    • Total Pages
      257
    • Publisher
      オーム社
    • ISBN
      978-4-274-22969-5

URL: 

Published: 2024-12-25  

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