VLSI Design of Scalable Decoder for Fault-tolerant Quantum Computer

Research Project

Project/Area Number	24K20755
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 60040:Computer system-related
Research Institution	Kochi University of Technology
Principal Investigator	廖望高知工科大学, システム工学群, 講師 (70846683)
Project Period (FY)	2024-04-01 – 2029-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2028: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000) Fiscal Year 2027: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000) Fiscal Year 2026: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000) Fiscal Year 2025: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000) Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords	量子誤り訂正 / 量子回路 / 最適化 / 最尤デコーダ / デコーダ / VLSI / 誤り耐性量子計算機 / FTQC
Outline of Research at the Start	量子計算機の最小ユニットである量子ビットは環境ノイズ等が原因となり誤り率が高い水準にあります。誤り耐性量子計算機（FTQC）は、複数の量子ビットで論理量子ビットを構成し、誤り訂正しながら量子計算を行えます。一方、誤り訂正装置（デコーダ）には非常に膨大な計算負荷がかかります。本研究ではFTQCにおける論理量子ビットの集積化に向けて、高速なデコーダの研究に取り組みます。論理ビットの数と符号距離に対する拡張性や、集積化の効率改善に向けた様々な種類の量子誤り訂正符号への適用性を考慮し、汎用性のあるデコーダの設計理論を確立します。また、長期的に活用する設計理論としてデコーダ設計技術の革新を目指します。
Outline of Annual Research Achievements	量子コンピュータの最小ユニットである量子ビットはノイズの影響で誤り率が高まっています。実用的誤り耐性量子コンピュータを実現するために、本研究では、複数の量子ビットを同時に誤り訂正（デコーディング）できる高速な誤り訂正装置（デコーダ）に取り組んでいます。研究目的を達成するために、今年度は研究計画に沿って下記の二点の進捗を得ました。量子計算実行時の誤り訂正負荷の見積りと軽減手法。誤り訂正装置に必要な性能を見積もるには、同時に誤り訂正する論理量子ビットの数が極めて重要です。現在最も有望視されている表面符号にエンコードされた論理量子ビットは格子手術という手法を使って間接的に計算を行います。そのため、論理量子ビットの使用数もこの手法に基づき見積もる必要があります。しかし、格子手術はルールが複雑で、自由度も高いため、全体的にリソース効率の良い（ビット数が少ない、および計算時間が短い）計算方法を探索する手法はまだ確立されていません。本研究では、論理量子ビットの格子手術の操作と局所的なトポロジー関係に基づき、全局的にリソースの最小値を推定する手法を提案しています。また、検証用のテストベンチとして、基本的な論理量子ビットの演算および、実用的量子アルゴリズムの実装(Shorの素因数分解等)にも取り組んでいます。最尤デコーダの調査とソフトウェア実装。テンソルネットワークを含むいくつか既存の最尤デコーダについて、ソフトウェア実装に取り組んでいます。また、量子LDPC符号を含めて新しい符号や大規模化しやすい符号の提案が活発であり、それらの技術動向について調査しました。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究の目的である複数量子ビットを訂正可能なデコーダの実装に向けて、量子アルゴリズムに必要な量子ビット数の見積もりおよび最尤デコーダの実装を計画通りに進めており、おおむね順調に進展しています。
Strategy for Future Research Activity	量子アルゴリズムに必要な量子ビットの数を最適化する方法は予想外の発見ですが、デコーダの負荷軽減に大きく寄与するため、引き続き推進していきます。また、この最適化手法をトポロジー情報を持たない符号への拡張する可能性も模索していきます。最尤デコーダに関しては計画通りに実装を進めていきます。