2022 Fiscal Year Annual Research Report
Quantum computer models as open quantum systems, and quantum algorithms based on them
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18K13467
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| Research Institution | National Institute of Informatics |
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Principal Investigator |
添田 彬仁 国立情報学研究所, 情報学プリンシプル研究系, 准教授 (70707653)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 量子情報 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成３０年度では、量子操作の「逆操作化」を利用したダイナミクス抑制の可能性が示された。これは量子操作を逆に行い、元の状態に戻すことで、量子系のダイナミクスを制御する。また、入力ユニタリ操作をd-1回必要とする万能プロトコルの最適性が証明された。令和元年度には、k個のd次元入力ユニタリ操作の確率的変換を可能とする量子回路を設計した。並列型、段階型、一般型に分けられる量子回路について、最大成功確率を与える量子回路を導出する手法を開発した。特に、段階型回路は並列型回路に対して指数関数的に高い変換性能を持つことが判明した。令和２年度では、失敗した場合でも入力の量子状態が保持される成功・引分け型の高階量子変換を提案し、成功確率が1に指数関数的に近づくことを示した。令和３年度の研究では、量子操作の識別問題と同一性判定問題を解析した。量子ゲートの識別において、利用可能な回数を増やすことによる成功確率の向上は一定以上ではないことが証明され、また、判定対象の量子ゲートが完全にランダムに選ばれている場合でも、エラーを0にできることが判明した。令和４年度における主な成果としてまず、アイソメトリ量子操作の万能可逆化である。これは、エンコーディングとしてのアイソメトリ量子操作を複数回使用すると、その逆操作（デコーディング）が自動的に、かつ確率的に正確に実装される。これにより、従来多項式的にしか減衰しなかった失敗率が指数関数的に減衰するという、性能向上を達成した。また、主な成果として、qubit-unitary操作の決定論的可逆化があり、２準位系（量子ビット）のユニタリ操作を「決定論的」かつ「ユニバーサル」に可逆化する手法を発見した。これは、これまで不可能と考えられていた領域を開拓し、量子アルゴリズムの新たな研究方向を提示する。
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