2023 Fiscal Year Final Research Report

Development of theory and technology for quantum error correction based on quantum control theory

Research Project

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Project/Area Number	20H02168
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 21040:Control and system engineering-related
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	Tsumura Koji 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 准教授 (80241941)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	大木健太郎京都大学, 情報学研究科, 助教 (40639233) 田中冬彦大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 准教授 (90456161) 大関真之東北大学, 情報科学研究科, 教授 (80447549)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	制御理論 / 量子誤り訂正 / 量子情報理論 / 量子統計 / 量子計算理論
Outline of Final Research Achievements	In this research, we aim to advance quantum error correction, which is a key technology for realizing quantum computers. We focus on the error correction process, which consists of “error detection” (observation of quantum state) and “error correction” (manipulation to quantum state) based on the detected signal, and obtain various results on the estimation of quantum state and design and generation methods of quantum error correction codes. Specifically, we have the following results; 1. physically realistic quantum coding and decoding methods and their robustness against thermal noise, 2. quantum adaptive control, 3. analysis of reasonable quantum information for quantum estimation, 4. quantum state smoothing, 5. quantum annealer performance analysis, 6. noise-driven quantum annealing, 7. analysis of quantum Ising model, and 8. estimation of quantum Ising model.
Free Research Field	制御理論
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	結果の一つである量子符号化・復号化は，厳密な時間制御を必要としない散逸ダイナミクスを用い，また熱ノイズに対するロバスト化まで図ったものであり，世界的に見て新規であり，これまで実現性の議論が不十分な量子符号化の実現に大いに寄与するものである．また誤り検出の基礎となる量子情報量の導出や量子状態スムージングも，量子状態推定において新規の結果である．さらに量子ビットのエラーの実態を知るための量子アニーリングの性能解析の結果は，最新の量子計算機に関する性能解析であり，分野への貢献大である．また量子イジングモデルの解析は量子アニーリングの解析の基礎となるものであり，理論的貢献の大きな結果である．