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ハイブリッド量子系を用いた量子操作・量子測定アルゴリズムの実装理論

公募研究

研究領域ハイブリッド量子科学
研究課題/領域番号 16H01050
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関東京大学

研究代表者

村尾 美緒  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (30322671)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
研究課題ステータス 完了 (2017年度)
配分額 *注記
6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円)
2017年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
2016年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
キーワードハイブリッド量子系 / ロバスト制御 / 量子アルゴリズム / 高階量子演算 / 量子操作 / 量子測定
研究実績の概要

1. ハミルトニアン動力学に従って時間発展する量子系に対し、そのハミルトニアンの一部が不定である場合の量子ゲートの実装について考察した。特に、量子制御分野で未解決となっていた、複数の量子ビットからなる多体量子系において、不定なパラメータを有するハミルトニアンに対してロバストな制御が原理的に可能となりうるかを理論的に明らかにした。量子ゲートのハミルトニアン動力学による実現可能性は、量子制御理論によって数学的に明らかにされているが、この理論では与えられたハミルトニアンが全て既知であることが仮定されている。本研究では2量子ビット以上の量子系に対しても任意の量子ゲートがロバストに実装できる系の存在を数学的に明らかにした。この研究では、本領域の領域会議において実験研究におけるロバスト制御の重要性を知ったことが、研究の推進力となった。
2. 断熱量子計算とGrover探索アルゴリズムのハイブリッド量子アルゴリズムにより、ユニタリ操作を変換する高階量子演算の代表例である「量子学習」「転置行列化」「複素共役化」「逆行列化」を実装する量子アルゴリズムがこれまでの研究によって提案されたが、本年度は、既存のアルゴリズムを再検討することで、Grover探索アルゴリズムの一般化である、振幅増幅アルゴリズムと目標とする高階量子演算の特殊性を活用し、ダイアモンドノルムによる誤差評価εに対する入力ユニタリ操作の利用回数をO(1/ε)に削減することに成功した。一方で、ユニタリ操作の次元dに対して使用する利用回数は既存のアルゴリズムと同じくdの2乗でスケールする。これは現時点で知られている高階量子演算実装法において最良のスケーリングである。その他、ハイブリッド量子系のネットワークで構成されるクラウド型量子計算におけるエンタングル資源の満たすべき条件や性質の導出に成功した。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (38件)

すべて 2018 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 2件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (32件) (うち国際学会 16件、 招待講演 8件)

  • [国際共同研究] Aberystwyth大学(英国)

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [雑誌論文] A Coding Theorem for Bipartite Unitaries in Distributed Quantum Computation2017

    • 著者名/発表者名
      Wakakuwa Eyuri、Soeda Akihito、Murao Mio
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Information Theory

      巻: 63 号: 8 ページ: 5372-5403

    • DOI

      10.1109/tit.2017.2709754

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Entanglement-assisted classical communication can simulate classical communication without causal order2017

    • 著者名/発表者名
      Akibue Seiseki、Owari Masaki、Kato Go、Murao Mio
    • 雑誌名

      Physical Review A

      巻: 96 号: 6 ページ: 062331-062331

    • DOI

      10.1103/physreva.96.062331

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Graph-associated entanglement cost of a multipartite state in exact and finite-block-length approximate constructions2017

    • 著者名/発表者名
      Yamasaki Hayata、Soeda Akihito、Murao Mio
    • 雑誌名

      Physical Review A

      巻: 96 号: 3 ページ: 32330-32330

    • DOI

      10.1103/physreva.96.032330

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Projective measurement of energy on an ensemble of qubits with unknown frequencies2017

    • 著者名/発表者名
      Yuichiro Matsuzaki, Shojun Nakayama, Akihito Soeda, Shiro Saito, and Mio Murao
    • 雑誌名

      Physical Review A

      巻: 95 号: 6 ページ: 062106-062106

    • DOI

      10.1103/physreva.95.062106

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Network coding for distributed quantum computation over cluster and butterfly networks2016

    • 著者名/発表者名
      S. Akibue and M. Murao
    • 雑誌名

      IEEE Trans. on Information Theory

      巻: 62 号: 11 ページ: 6620-6637

    • DOI

      10.1109/tit.2016.2604382

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] ユニタリ量子操作の複素共役化:量子アルゴリズムとその帰結2018

    • 著者名/発表者名
      宮崎慈生, 添田彬仁, 村尾美緒
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Universal complex conjugation of quantum states and unitaries: Implementation algorithm and implications2018

    • 著者名/発表者名
      Jisho Miyazaki,Akihito Soeda, Mio Murao
    • 学会等名
      The 21th Annual Conference on Quantum Information Processing
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Higher-order quantum computation for equivalence determination of unitary operations2018

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Shimbo, Akihito Soeda, and Mio Murao
    • 学会等名
      The 21th Annual Conference on Quantum Information Processing
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Universal complex conjugation of quantum states and unitaries: Implementation algorithm and implications2018

    • 著者名/発表者名
      Jisho Miyazaki,Akihito Soeda, Mio Murao
    • 学会等名
      International Workshop on Quantum Simulation & Computation
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Entanglement cost of distributed quantum encoding/decoding2018

    • 著者名/発表者名
      Hayata Yamasaki, Mio Murao
    • 学会等名
      新学術領域「ハイブリッド量子科学」第六回領域会議
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Robust control of two-qubit gates in Hamiltonian systems2018

    • 著者名/発表者名
      Ryosuke Sakai, Akihito Soeda, Mio Murao and Daniel Burgarth
    • 学会等名
      新学術領域「ハイブリッド量子科学」第六回領域会議
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Entanglement cost of distributed quantum encoding/decoding2018

    • 著者名/発表者名
      Hayata Yamasaki, Mio Murao
    • 学会等名
      第25回量子情報関東Student Chapter研究会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Higher order quantum operations of unitaries and their implications2017

    • 著者名/発表者名
      Mio Murao
    • 学会等名
      The 17th Asian Quantum Information Science Conference (AQIS2017)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 高階量子情報処理の最近の展開2017

    • 著者名/発表者名
      添田彬仁
    • 学会等名
      第37回量子情報技術委員会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Quantum algorithm for universal implementation of projective measurement of energy2017

    • 著者名/発表者名
      Shojun Nakayama, Akihito Soeda, Mio Murao
    • 学会等名
      Internaitonal Workshop on Hybrid Quantum Systems 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Adiabatic quantum computation and Grover search applied to higher-order quantum operations2017

    • 著者名/発表者名
      Shojun Nakayama, Akihito Soeda, Mio Murao
    • 学会等名
      The 17th Asian Quantum Information Science Conference (AQIS2017)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Exact controllization of unitary operation with fractional queries2017

    • 著者名/発表者名
      Qingxiuxiong Dong, Shojun Nakayama, Akihito Soeda, and Mio Murao
    • 学会等名
      新学術領域「ハイブリッド量子科学」第五回領域会議
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Manipulation of quantum dynamics and higher-order quantum operations2017

    • 著者名/発表者名
      Akihito Soeda
    • 学会等名
      The JSAP workshop on quantum information and related fields
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 未知の共鳴周波数を持った量子ビット集団に対するエネルギー射影測定2017

    • 著者名/発表者名
      松崎雄一郎, 仲山将順, 添田彬仁, 村尾美緒, 斎藤志郎
    • 学会等名
      日本物理学会 第72回年次大会
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Hamiltonian and energy in controllable quantum systems2017

    • 著者名/発表者名
      坂井亮介,添田彬仁,村尾美緒
    • 学会等名
      新学術領域ハイブリッド量子科学・第4回領域会議
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Adiabatic quantum computation and Grover search applied to higher-order quantum operations2017

    • 著者名/発表者名
      Shojun Nakayama, Akihito Soeda, Mio Murao
    • 学会等名
      The 20th Conference on Quantum Information Processing (QIP2017)
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Graph-Associated Entanglement Cost of Multipartite State in Exact and Finite-Block-Length Approximate Construction2017

    • 著者名/発表者名
      Hayata Yamasaki, Akihito Soeda and Mio Murao
    • 学会等名
      The 20th Conference on Quantum Information Processing (QIP2017)
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum input-output algorithms for quantum systems with limited controllability2017

    • 著者名/発表者名
      Ryousuke Sakai, Akihito Soeda and Mio Murao
    • 学会等名
      The 20th Conference on Quantum Information Processing (QIP2017)
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Exact controllization of unitary operation with fractional queries2017

    • 著者名/発表者名
      Qingxiuxiong Dong,Shojun Nakayama, Akihito Soeda , Mio Murao
    • 学会等名
      The 20th Conference on Quantum Information Processing (QIP2017)
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Manipulation of quantum dynamics: time-reversal, inversion etc.2017

    • 著者名/発表者名
      Shojun Nakayama, Akihito Soeda, Mio Murao
    • 学会等名
      新学術領域ハイブリッド量子科学第4回領域会議
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Graph-Associated Entanglement Cost of Multipartite State in Exact and Finite-Block-Length Approximate Construction2017

    • 著者名/発表者名
      Hayata Yamasaki, Akihito Soeda and Mio Murao
    • 学会等名
      The JSAP workshop on quantum information and related fields
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Entanglement assisted classical communication simulates "classical communication" without causal order2016

    • 著者名/発表者名
      Mio Murao
    • 学会等名
      Hong Kong workshop on quantum information and foundation
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Entanglement assisted classical communication simulates "classical communication" without causal order2016

    • 著者名/発表者名
      Mio Murao
    • 学会等名
      The 3rd Seefeld workshop on Quantum Information
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Universal controllization--its no-go and remedy for projective measurement of energy2016

    • 著者名/発表者名
      Akihito Soeda
    • 学会等名
      Quantum Information Science Workshop
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 未知ハミルトニアンのエネルギー射影測定アルゴリズム2016

    • 著者名/発表者名
      村尾美緒
    • 学会等名
      「量子情報と有限長理論の新展開」研究会
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 未知ハミルトニアンのエネルギー射影測定アルゴリズム2016

    • 著者名/発表者名
      村尾美緒
    • 学会等名
      新学術領域ハイブリッド量子科学・第3回領域会議
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 量子操作間の相互変換アルゴリズムと量子学習プロセスへの応用2016

    • 著者名/発表者名
      仲山将順、添田彬仁、村尾美緒
    • 学会等名
      日本物理学会2016年秋季大会
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Quantum algorithm for projective measurement of energy2016

    • 著者名/発表者名
      Shojun Nakayama, Akihito Soeda and Mio Murao
    • 学会等名
      German-japanese meeting on the science of Hybrid Quantum Systems
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Graph-Associated Entanglement Cost of Multipartite State in Exact and Finite-Block-Length Approximate Construction2016

    • 著者名/発表者名
      Hayata Yamasaki, Akihito Soeda and Mio Murao
    • 学会等名
      16th Asian Quantum Information Science Conference (AQIS2016)
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum input-output algorithms for quantum systems with limited controllability2016

    • 著者名/発表者名
      Ryousuke Sakai, Akihito Soeda and Mio Murao
    • 学会等名
      16th Asian Quantum Information Science Conference (AQIS2016)
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Graph-Associated Entanglement Cost of Multipartite State in Exact and Finite-Block-Length Approximate Construction2016

    • 著者名/発表者名
      Hayata Yamasaki, Akihito Soeda and Mio Murao
    • 学会等名
      第24回量子情報関東Student Chapter研究会
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Quantum input-output algorithms for quantum systems with limited controllability2016

    • 著者名/発表者名
      坂井亮介,添田彬仁,村尾美緒
    • 学会等名
      新学術領域ハイブリッド量子科学・第3回領域会議
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書

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公開日: 2016-04-26   更新日: 2018-12-17  

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