超伝導型量子コンピューターとイオントラップ型量子コンピューターの性能を比較東京大学とアト秒レーザー科学研究機構

東京大学は2023年12月5日、同大学大学院理学系研究科とアト秒レーザー科学研究機構の共同研究グループが、超伝導型量子コンピューターとイオントラップ型量子コンピューターの性能を比較し、それぞれの特性を明らかにしたと発表した。

現在利用可能な量子コンピューターは、NISQデバイスと呼ばれている。NISQデバイスでは、環境との相互作用に起因するさまざまな種類のノイズにより量子演算にエラーが生じる。

このため、計算結果から意味のある結果を抽出するにあたり、ノイズの影響を減らす誤り抑制を行うことが求められる。

近年、NISQデバイスとして、超伝導型量子コンピューターやイオントラップ型量子コンピューターの開発が進んでいる。両コンピューターには、ユーザー向けのプラットフォームが用意されており、性能や特徴を生かした量子アルゴリズムの開発が進められている。

ただし、超伝導型量子コンピューターおよびイオントラップ型量子コンピューターの性能がどのように異なるのかについて、具体例のシミュレーションをベースに比較した例はまだ知られておらず、比較結果が望まれていた。

今回の研究では、超伝導型量子コンピューターとしてIBMが開発した量子コンピューター「ibm_prague」を、イオントラップ型量子コンピューターとしてQuantinuumの「H1-1」を用いた。

最も基本的な1次元3サイトHeisenbergスピン系のダイナミクスを計算し、その結果を比較している。

シミュレーションでは3つの量子ビットを使用。Suzuki-Trotter近似（演算子の和を指数部に有する演算子を各々の演算子の指数演算子の積に分解する近似）を用いて、時間依存ダイナミクスの量子計算を行った。冒頭の画像は、シミュレーションで用いた量子回路を示している。

シミュレーションの結果として、ibm_pragueの場合は赤い曲線が得られ、古典コンピューターで得られた正しい曲線（黒い曲線）をほぼ完全に再現した。ダイナミック・デカップリング（DD）、パウリ・トワーリング（PT）、読み出しエラーの抑制（M3）という3つのエラー抑制を行い、スピンを保存しない状態を除去して波動関数を正規化している。

また、H1-1の場合は、得られた結果そのままで古典コンピューターによって得られた正しい曲線（黒い曲線）をほぼ再現。スピンを保存しない状態を除去し、波動関数を正規化しただけで赤い曲線が得られ、正しい曲線をほぼ完全に再現した。

量子ビット状態 |110＞の分布の時間発展
(a) イオントラップ型量子コンピューター Quantinuum H1-1による結果
(b) 超伝導型量子コンピューター ibm_prague による結果

H1-1の場合は、データ点ごとに1024回の測定を行い、各測定に約225ミリ秒を要した。一方、ibm_pragueの場合は、データ点ごとに50048回の測定を行い、各測定に約1ミリ秒を要している。

H1-1の測定では、ibm_pragueに比べて約200倍の時間が掛かったことになる。また、データ点1つごとに要した時間は、H1-1の場合が230秒、ibm_pragueの場合が50秒となった。

今回の研究により、両方式の量子コンピューターともに量子ダイナミクスを正確にシミュレーションできることが示された。

さらに、超伝導型量子コンピューターはエラー抑制を要するものの、計算速度が速く、イオントラップ型量子コンピューターは計算の精度が非常に高いものの、計算速度が遅いということも判明した。

今回の研究結果は、それぞれのNISQデバイスの性能に応じて、最適なエラー抑制の方法の開発、適用が重要であることを示している。誤り耐性量子コンピューターが確立するまでの間の、NISQデバイスの基礎／応用研究への活用方法に指針を与えるものとなっている。

超伝導型量子コンピューターとイオントラップ型量子コンピューターの性能を比較　東京大学とアト秒レーザー科学研究機構