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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 Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (IV)
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
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥119,730,000 (Direct Cost: ¥92,100,000、Indirect Cost: ¥27,630,000)
Fiscal Year 2022: ¥30,420,000 (Direct Cost: ¥23,400,000、Indirect Cost: ¥7,020,000)
Fiscal Year 2021: ¥26,780,000 (Direct Cost: ¥20,600,000、Indirect Cost: ¥6,180,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Keywords量子計算 / 計算理論 / 実践的利用 / 協調設計 / 量子計算と古典計算の協調利用
Outline of Research at the Start

量子計算各種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以下の4項目の研究を行う。
(A) 既存の量子計算モデルの結果を量子・古典協調の観点から、あるいは「弱い」量子計算モデルの観点から再検討・再構築する。
(B) 量子計算に起こりうる現実的なエラーを考慮に入れた計算モデルの検討を進める。
(C) 量子計算の方式に応じて異なる量子回路のモデルを量子・古典協調利用の枠組みの中で検討・評価する。
(D) 量子計算と古典計算を協調して利用する計算アルゴリズムの能力を解析するための計算モデルを検討・評価する。

Outline of Annual Research Achievements

万能量子計算モデルに関する研究として, SWAPテストの,量子分散計算における検証に応用可能な良い性質を見つけ,その性質を利用して,一方向量子通信計算量プロトコルから 量子分散計算における検証プロトコルへ変換するための汎用的手法を開発した.その汎用的手法をデータの等価性判定問題に適用することによって,等価性判定問題に対する量子分散検証プロトコルを構成し,古典分散検証プロトコルより指数的に短い証拠の長さで同問題を検証できることを明らかにした.別の研究として,QRAMと呼ばれる量子メモリを必要とするグラフの彩色数を計算する O(1.914^n) 時間の量子アルゴリズムを示した.
能力が限定された量子計算モデルに関する研究に関して,量子対話系の計算モデルにおいて,より制限された量子計算では基底状態の生成が困難である証拠を得た.具体的には,成功確率が指数的に小さくても許される量子対話証明を用いて基底状態の生成を行う際に,数え上げ階層が崩壊しないという仮定のもとで,検証者が得る証明を古典状態に制限することはできないことを示した.
量子分散計算に関して,k-clique問題を解く高速な古典分散アルゴリズムの開発を行い,量子通信による更なら高速化の可能性について調査した.また,k-clique問題を解く実用的なアプローチを提案し,NISQデバイス上での実装を検討した.
量子回路設計に関して,任意の量子回路をlattice surgeryにマッピングする際に,latticeの回転操作を利用することで,論理量子ビットの充填率を.既存手法と比べて平均して45.9%削減できる手法を考案した.
誤り耐性がない量子計算機を利用するスキームとして,量子リザバー計算機による時系列データ処理法を考案した.IBMQをリザバー計算機として実現し,ベンチマーク問題において古典線形回帰よりも良い時系列分類が可能であることを実証した.

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.

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(20 results)

All 2021 2020

All Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 4 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Dynamical Decomposition and Mapping of MPMCT Gates to Nearest Neighbor Architectures2021

    • Author(s)
      Atsushi Matsuo, Wakaki Hattori, Shigeru Yamashita
    • Journal Title

      IEEE 26th Asia and South Pacific Design Automation Conference

      Volume: ASP-DAC2021 Pages: 786-791

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Hardness of efficiently generating ground states in postselected quantum computation2021

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

      PHYSICAL REVIEW RESEARCH

      Volume: 3 Pages: 13213-13213

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.3.013213

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Distributed Quantum Proofs for Replicated Data2021

    • Author(s)
      Pierre Fraigniaud, Francois Le Gall, Harumichi Nishimura, Ami Paz
    • Journal Title

      Leibniz International Proceedings in Informatics

      Volume: 185

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Tight Distributed Listing of Cliques2021

    • Author(s)
      Keren Censor-Hillel, Yi-Jun Chang, Francois Le Gall and Dean Leitersdorf
    • Journal Title

      Proceedings of the 32nd ACM-SIAM Symposium on Discrete Algorithms (SODA 2021)

      Volume: SODA 2021 Pages: 2878-2891

    • DOI

      10.1137/1.9781611976465.171

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Exponential-time quantum algorithms for graph coloring problems2020

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

      LATIN Lecture Notes in Computer Science

      Volume: 12118 Pages: 387-398

    • DOI

      10.1007/978-3-030-61792-9_31

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Finding Small and Large k-Clique Instances on a Quantum Computer2020

    • Author(s)
      Sara Ayman Metwalli, Francois Le Gall and Rodney Van Meter
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Quantum Engineering

      Volume: 1 Pages: 3102911-3102911

    • DOI

      10.1109/tqe.2020.3045692

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Distributed Quantum Proofs for Replicated Data2021

    • Author(s)
      Pierre Fraigniaud, Francois Le Gall, Harumichi Nishimura, Ami Paz
    • Organizer
      24th Annual Conference on Quantum Information Processing
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 量子コンピュータ実機のノイズ特性を活用したリザバー計算による時系列データ処理2021

    • Author(s)
      鈴木雄大
    • Organizer
      日本機械学会関東支部 第27期総会・講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 変分量子アルゴリズムにおけるノイズの影響の解析2021

    • Author(s)
      上西慧理子
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Tight Distributed Listing of Cliques2021

    • Author(s)
      Francois Le Gall
    • Organizer
      電子情報通信学会 コンピュテーション研究会(COMP)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] ノイズ付き浅層回路による量子計算の優位性2021

    • Author(s)
      長谷川 敦哉
    • Organizer
      第2回量子ソフトウェア研究会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] SWAP Test and Its Applications to Quantum Distributed Computing2020

    • Author(s)
      Harumichi Nishimura
    • Organizer
      2nd Workshop on Quantum and Classical Cryogenic Device, Circuits, and Systems
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Average-Case Quantum Advantage for Shallow Circuits2020

    • Author(s)
      Francois Le Gall
    • Organizer
      20th Asian Quantum Information Science Conference (AQIS 2020)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Average-Case Quantum Advantage for Shallow Circuits2020

    • Author(s)
      Francois Le Gall
    • Organizer
      2nd workshop on Quantum and Classical Cryogenic Devices, Circuits and Systems (QCCC 2020)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 量子回路の設計手法に関する研究動向2020

    • Author(s)
      山下茂
    • Organizer
      情報処理学会連続セミナー2020 量子コンピュータとソフトウェア2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 量子ビットの処理順序を考慮したシュタイナーガウス消去法による量子回路の設計2020

    • Author(s)
      HAN ZHENGTONG
    • Organizer
      デザインガイア2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Problem-specific Parameterized Quantum Circuits of the VQE Algorithm for Optimization Problems2020

    • Author(s)
      Atsushi Matsuo
    • Organizer
      情報処理学会第1回量子ソフトウェア研究発表会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Problem-specific Parameterized Quantum Circuits of the VQE Algorithm for Optimization Problems2020

    • Author(s)
      Atsushi Matsuo
    • Organizer
      20th Asian Quantum Information Science Conference (AQIS 2020)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Quantum Circuit Design by Steiner-Gauss with Considering the Order of Qubits2020

    • Author(s)
      HAN Zhengtong
    • Organizer
      20th Asian Quantum Information Science Conference (AQIS 2020)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] An Efficient Generation of Arbitrary Superposition of Basis States2020

    • Author(s)
      Risa Segawa
    • Organizer
      20th Asian Quantum Information Science Conference (AQIS 2020)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

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Published: 2020-11-24   Modified: 2022-07-01  

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