Large-scale distributed quantum computer architecture

• Project/Area Number: 21H04880
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 60:Information science, computer engineering, and related fields
• Research Institution: Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University
• Principal Investigator: 根本 香絵 沖縄科学技術大学院大学, 量子情報科学・技術ユニット, 教授 (80370104)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): Munro William 沖縄科学技術大学院大学, 量子工学ユニット, 教授 (50599553)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥40,690,000 (Direct Cost: ¥31,300,000、Indirect Cost: ¥9,390,000); Fiscal Year 2025: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000); Fiscal Year 2024: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000); Fiscal Year 2023: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000); Fiscal Year 2022: ¥10,790,000 (Direct Cost: ¥8,300,000、Indirect Cost: ¥2,490,000); Fiscal Year 2021: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
• Keywords: 分散型量子コンピュータ / 量子コンピュータアーキテクチャ / フォールトトレラント量子コンピュータ / 量子ネットワーク / 量子誤り訂正 / 量子通信 / フォルトトーレラント量子コンピュータ

Outline of Research at the Start

ポストムーア時代を見据えて、新しい計算の可能性として注目される量子コンピューティングの性能を引き出す、分散性のある量子コンピュータアーキテクチャの開発を行う。従来の同期的および規則的配列をもつ量子コンピュータアーキテクチャから脱却し、現在の大規模量子コンピュータ開発に具体的な指針を与える分散性のある量子コンピュータアーキテクチャを開発する。具体的な量子コンピュータアーキテクチャの開発を通して、量子コンピュータにおける分散性、制御可能性、互換性とは何かを問うことで量子コンピュータの本質を理解することを目指す研究である。

Outline of Annual Research Achievements

分散型の量子コンピュータアーキテクチャを念頭に、トポロジカル量子誤り訂正符号の性質について、表現方法について再考し、これまでの表現方法の拡張の可能性について検討した。また、ここで用いている回路表現では、アーキテクチャへのマップそのものは複雑なものにはならないことが予想された。ただし、量子回路の最適化そのものは計算量的に課題が残っており、アーキテクチャそのものに依存することではないが、アーキテクチャの上の技術層の発展についても注意しておく必要はある。
量子通信部分における量子誤り訂正とリソースの関係については、昨年度の成果をもとに拡張した解析を行ない、ハードウエアの特徴を量子誤り訂正符号の実装に活かすことによるリソース低減がどの程度可能であるのかについて、数値的な見積もりを得ることができた。さらに、この符号化の方法が量子計算の計算回路にも適応可能であることを確認した。また、量子通信部分については、連続量符号化についても考察し、離散値の場合と比較した。
カラー符号ではXとZの性質が異なるので、符号上の構造上の違いと実装系の特性との関係についての議論を行った。また、量子誤り訂正符号上での誤りに振る舞いの理解を深めた。量子誤り訂正符号の研究が急速に進んでいるが、比較的新しい符号がどの程度実装可能であるのかは、まだよくわかっておらず、その点も含めて、ハードウエアへの実装上の性質について議論を行った。もう一つの方向性として、小規模の量子コンピュータのあり方で新しい発展があり、小規模の量子コンピュータからネットワーク的に構成するネットワーク型の量子コンピュータに新しい可能性が考えられ、エッジ量子コンピューティングやフォグ量子コンピューティングへの新しいあり方を解析した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

量子コンピュータアーキテクチャや、その設計に必要となる量子誤り訂正符号など、量子コンピュータアーキテクチャに関わる分野が最近急速に発展しつつある。これら比較的新しい研究成果を考慮しつつ、分散型量子コンピュータアーキテクチャへ反映させていくために、当初の計画していなかった事項についても検討が望ましい場合が増えてきている。その中から、分散型の量子コンピュータを考える上で重要な要素を選択し、効率的に多角的な検討ができていると考える。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、前述した目的を達成するために、これまで得られた結果を基に、量子コンピュータアーキテクチャの基礎の確立を目指す。そのために、最近発展が著しい量子誤り符号について、最新の量子誤り訂正符号に関する成果を整理し、量子コンピュータアーキテクチャの観点からその利点と課題を明らかにする。また、その際量子誤り訂正符号の実装方法の違いに基づく数理的な性質についても考慮する。次に、量子誤り符号化された論理量子ビットの定義とその制御方法についても、最近の成果について調査し、整理する。その上で、これら量子誤り訂正符号の性質と、ハードウエア実装系の物理的性質との相性について議論し、多様な物理系の組み合わせも考慮して、実装可能な方法を検討する。
また、新しい量子誤り訂正符号の性質と、アイランドーインターコネクト型の量子コンピュータアーキテクチャへの応用はまだ検討されていないため、この検討に向けた準備を行う。新しい量子誤り訂正符号では、長距離なゲートを用いるものもあるため、これまでの表面符号の実装とは異なることが予想される。これらの性質とアイランドーインターコネクトの考え方がどの程度融合可能であるのかについて検討する。また、量子ネットワークについては、量子ネットワークの性質を本年度に引き続き調べる。
最新の研究成果についての整理と議論は、代表者と分担者が協力して行い、実装可能性や量子コンピュータアーキテクチャの考察は代表者が主導して行う。これらの数値的な評価、量子ネットワークについての評価は、分担者が主導して評価を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Instituto de Telecomunicacoes(ポルトガル)
• [Int'l Joint Research] Imperial College London(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Queensland(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] Univ. of Science and Technology of China(中国)
• [Int'l Joint Research] The Austrian Academy of Sciences(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] Imperial College London(英国)
• [Journal Article] Resource Reduction in Multiplexed High-Dimensional Quantum Reed-Solomon Codes (2023)
  • Author(s): Shin Nishio, Nicolo Lo Piparo, Michael Hanks, William John Munro, Kae Nemoto
  • Journal Title: Phys. Rev. A Volume: 107(3) Issue: 3
  • DOI: 10.1103/physreva.107.032620
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hardness of braided quantum circuit optimization in the surface code (2023)
  • Author(s): Kunihiro Wasa, Shin Nishio, Koki Suetsugu, Michael Hanks, Ashley Stephens, Yu Yokoi, Kae Nemoto
  • Journal Title: IEEE Transactions on Quantum Engineering Volume: 4 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1109/tqe.2023.3251358
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Distributing entanglement in first-generation discrete- and continuous-variable quantum repeaters (2022)
  • Author(s): Josephine Dias, Matthew S. Winnel, William J. Munro, T. C. Ralph, Kae Nemoto
  • Journal Title: Phys. Rev. A Volume: 106(5) Issue: 5
  • DOI: 10.1103/physreva.106.052604
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hardness of braided quantum circuit optimization in the surface code (2022)
  • Author(s): Kunihiro Wasa, Shin Nishio, Koki Suetsugu, Michael Hanks, Ashley Stephens, Yu Yokoi, Kae Nemoto
  • Journal Title: Proceedings of QRE2022 (The 4th International Workshop on Quantum Resource Estimation) Volume: in press
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Teleportation in quantum edge networks (2022)
  • Author(s): William J. Munro, Yi-Han Luo, Ming-Cheng Chen, Manuel Erhard, Han-Sen Zhong, Dian Wu, Hao-Yang Tang, Qi Zhao, Xi-Lin Wang, Keisuke Fujii, Li Li, Nai-Le Liu, Kae Nemoto, Chao-Yang Lu, Anton Zeilinger, Jian-Wei Pan
  • Journal Title: Proceedings SPIE, Quantum Communications and Quantum Imaging XX Volume: PC12238 Pages: 27-27
  • DOI: 10.1117/12.2632228
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Designing tomorrow's quantum internet (2022)
  • Author(s): W. J. Munro, Nicolo Lo Piparo, Josephine Dias, Michael Hanks, and Kae Nemoto
  • Journal Title: AVS Quantum Science Volume: 4(2) Issue: 2
  • DOI: 10.1116/5.0092069
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Robustness of noisy quantum networks (2022)
  • Author(s): Bruno Coelho Coutinho, William John Munro, Kae Nemoto, and Yasser Omar
  • Journal Title: Communications Physics Volume: 5 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s42005-022-00866-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum Edge Computing (2023)
  • Author(s): William J. Munro, Nicolo Lo Piparo, Kae Nemoto
  • Organizer: APS March Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Computational complexity of optimizing defect braiding quantum circuits by reordering qubits (2023)
  • Author(s): Kunihiro Wasa, Shin Nishio, Koki Suetsugu, Michael Hanks, Ashley Stephens, Yu Yokoi and Kae Nemoto
  • Organizer: 26th Conference on Quantum Information Processing (QIP2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Designing our future Quantum Internet (2022)
  • Author(s): William John Munro
  • Organizer: Australian Institute of Physics Congress
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Quantum repeater for continuous-variable entanglement distribution (2022)
  • Author(s): Josephine Dias
  • Organizer: Quantum Innovation 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Quantum computer architecture: from NISQ processors to fault-tolerant quantum computers (2022)
  • Author(s): Kae Nemoto
  • Organizer: Quantum Innovation 2022 (Keynote)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Defect Braiding 量子回路最適化の計算量的困難性 (2022)
  • Author(s): 西尾真, 和佐州洋, 末續鴻輝, Michael Hanks, Ashley Stephens, 横井優, 根本香絵
  • Organizer: 第32回量子情報関東スチューデントチャプター研究会
• [Presentation] 量子ビット順序変更による Defect Braiding 量子回路最適化の計算量 (2022)
  • Author(s): 西尾真, 和佐州洋, 末續鴻輝, Michael Hanks, Ashley Stephens, 横井優, 根本香絵
  • Organizer: QEdサマースクール2022(Quantum Education for Future Technology)
• [Presentation] Teleportation in quantum edge networks (2022)
  • Author(s): William J. Munro, Yi-Han Luo, Ming-Cheng Chen, Manuel Erhard, Han-Sen Zhong, Dian Wu, Hao-Yang Tang, Qi Zhao, Xi-Lin Wang, Keisuke Fujii, Li Li, Nai-Le Liu, Kae Nemoto, Chao-Yang Lu, Anton Zeilinger, Jian-Wei Pan
  • Organizer: SPIE Optics and Photonics(SPIE Optical Engineering + Applications) 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Reducing the resources needed to implement quantum error correction codes using quantum multiplexing (2022)
  • Author(s): Shin Nishio, Nicolo Lo Piparo, Michael Hanks, William John Munro, Kae Nemoto
  • Organizer: The 15th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO Pacific Rim, CLEO-PR 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photonic Quantum Computing and Tomorrow’s Quantum Internet (2022)
  • Author(s): William John Munro
  • Organizer: Optica’s Advanced Photonics Congress
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Quantum Networking (2022)
  • Author(s): William John Munro
  • Organizer: International Conference on Quantum Communication, Measurement and Computing
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Hardness of braided quantum circuit optimization in the surface code (2022)
  • Author(s): Kunihiro Wasa, Shin Nishio, Koki Suetsugu, Michael Hanks, Ashley Stephens, Yu Yokoi and Kae Nemoto
  • Organizer: QRE2022 (The 4th International Workshop on Quantum Resource Estimation)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum Internet Stack (2022)
  • Author(s): Kae Nemoto
  • Organizer: Quantum 2.0 Conference and Exhibition
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Quantum Simulation for Science and Innovation (2022)
  • Author(s): Kae Nemoto
  • Organizer: Norway-Japan Quantum Computing Webinar: concrete opportunities & technological progress
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Designing tomorrow’s quantum internet (2021)
  • Author(s): W. J. Munro, Nicolo Lo Papiro, Josephine Dias and Kae Nemoto
  • Organizer: Quantum Innovation 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Quantum Computer designs from today's NISQ processors to tomorrow's fault-tolerant Quantum Computers (2021)
  • Author(s): Kae Nemoto
  • Organizer: 1st International Symposium on Trans-Scale Quantum Science 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 量子コンパイラと量子コンピュータ言語 (2021)
  • Author(s): 根本 香絵
  • Organizer: 第4回量子ソフトウェア研究発表会
  • Invited
• [Presentation] 量子多重通信路を用いた高次元量子Reed-Solomon符号のリソース削減 (2021)
  • Author(s): 西尾 真
  • Organizer: Quantum Internet Task Force (第二回Student Session)
• [Presentation] Resource Reduction in Multiplexed High-Dimensional Quantum Reed-Solomon Codes (2021)
  • Author(s): Shin Nishio, Nicolo Lo Piparo, Michael Hanks, William Munro, Kae Nemoto
  • Organizer: Asian Quantum Information Science Conference 2021 (AQIS 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A real-time low-latency real-time certifiable QRNG (2021)
  • Author(s): William J. Munro, Y. Zhang, H. Lo, T. Ikuta, T. Honjo and H. Takesue
  • Organizer: SPIE Optics and Photonics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Quantum Network Aggregation (2021)
  • Author(s): W. J. Munro, Nicolo Lo Piparo and Kae Nemoto
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO) 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Designing Tomorrow’s Quantum internet (2021)
  • Author(s): W. J. Munro and Kae Nemoto
  • Organizer: Next Generation Quantum Networking Workshop 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 沖縄科学技術大学院大学 量子情報科学・技術ユニット
  • URL: https://www.oist.jp/ja/research/research-units/quantum-information-science-and-technology-unit