京大、量子計算の本体とチェックを分離し計算結果を効率的に事後チェックする方法を開発

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今回提案された量子計算結果チェック方法の概要

京都大学は2018年1月22日、同大学基礎物理学研究所の森前智行講師らの研究グループが、量子計算の結果の正しさを効率的に事後チェックできる方法を開発したと発表した。科学技術振興機構(JST)の戦略的創造研究推進事業における成果だ。

現在、世界中で活発な研究が行われている量子コンピューターは、外場等のノイズに非常に弱いため、実行した計算の正しさをチェックする必要がある。計算結果のチェックは、現在の通常のコンピューターでも行われているが、ノイズに弱い量子コンピューターではより重要なものとなる。しかし、これまで提案された方法では、計算本体とチェックのプロセスが不可分に組み合わされ同時に実行される。このため信頼度の高い量子コンピューターも低い量子コンピューターも同じようにチェックをすることになり、非効率だった。

今回の研究では、世界で初めて、量子計算本体と計算チェックのプロセスを分離できる理論プロトコルを提案した。量子コンピューターの信頼度の高さに応じた事後チェックが可能となり、利用者が量子コンピューターを信頼している場合は、不要な計算チェックを行わず量子計算本体のみを実行することができ、効率的だ。

一方、量子コンピューターの信頼性が低い場合は、利用者は計算結果を受け取った後、正しさの証明を量子コンピューターに要求して、計算結果が正しいものであるという証明がエンコードされた量子ビットを受け取ることができる。この量子ビットは、量子計算の各時間ステップの状態を量子的に重ね合わせたような状態になっており、クラウドが各ステップで正しい量子計算を行っていることを示すものとなる。

今回提案された理論プロトコルでは、利用者は送られてきた各量子ビットを測定用のデバイスを通して測定し、測定結果を通常のコンピューターで処理する。測定結果がある条件を満たす場合、非常に高い確率で、その計算結果は正しいものであることが理論的に保証されることを示した(間違う確率は指数関数的に小さいものとなる)。

また、今回の手法では量子コンピューターからは量子ビットが1つずつ順に送られるため、利用者はその量子ビットを1つずつ測定していけばよく、測定用デバイスに量子メモリー(量子的なデータを蓄えておくメモリー)を必要としないというメリットもある。

今回の手法を利用することにより、近い将来に量子コンピューターが現在の通常のコンピューターではシミュレートできないようなサイズの領域に達した場合でも、通常のコンピューターで効率的なチェックが可能となると期待される。また将来、クラウドでの量子計算サービスがより一般化していくと、セキュリティーの観点からも、クラウドの量子計算の正しさを利用者が簡単にチェックできるスキームは重要となる。同研究グループでは、今回の成果は、安心安全な量子インターネットを実現する上で重要な基盤技術となるものだとしている。

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