量子コンピューターを利用したアルゴリズムを用いて、屋外実験における多数同時接続技術を実証 NICT

情報通信研究機構（NICT）は2024年7月25日、次世代移動通信システムでの活用が求められる、非直交多元接続技術の信号分離処理に適用した無線通信実験に成功したことを発表した。アニーリング型の量子コンピューター（量子アニーリングマシン）と古典コンピューターとを併用する新たな演算手法を開発し、世界で初めて、屋外実験における多数同時接続技術（非直交多元接続技術）をオンラインで実証した。

現在の第5世代移動通信システム（5G）では、同一周波数、同一時間を使用して、基地局アンテナ1本当たり1台の端末局と通信している。しかし、次世代移動通信システムは、5Gと比較して同時接続数を10倍以上とすることが期待されている。これを実現する技術の一つとして、端末局を複数台にできる非直交多元接続技術が注目されている。

ただし、端末局ごとに受信信号を分離する処理（信号分離処理）が必要になり、端末局数が増えるにつれて受信信号の組合せの数が増加し、信号分離処理に要する計算量が増える。量子アニーリングマシンは、この組合せ最適化問題を高速に解くことができる計算機として注目されている。

NICTは、量子アニーリングマシンと古典コンピューターとをハイブリッドすることで、実用的な演算手法（アルゴリズム）を開発。無線通信で用いられる信号処理に適用し、オンラインで実証した。

開発したアルゴリズムは、組合せの候補（正解とは限らない）を出力するサンプラーとして、組合せ最適化問題の計算を得意とする量子アニーリングマシンを使用する。マイクロ秒オーダーの時間内で複数の候補を得た後、古典コンピューターにおける事後処理（NICTの独自技術）を適用し、限られたサンプル数でも精度良く統計分布に従う解を得る。

今回、上り回線非直交多元接続技術を対象に、開発したアルゴリズムをその信号分離処理に適用した。指数関数的に計算量が増加する課題に加え、単純な計算（線形方程式）では解けないという課題の解決に向け、アルゴリズムの有効性を計算機シミュレーションと屋外実験で確認した。

まず、アルゴリズムの性能評価を実施したところ、従来の信号分離と比較して、誤り率特性が同等であることを確認した。また、アルゴリズムを用いることで、信号分離処理に要する計算時間（量子アニーリングに要する時間の積算値として計算）が、従来手法の計算時間と比較して、約10分の1に短縮できることを示した。

本アルゴリズムを用いた上り回線非直交多元接続シミュレーションの結果（M=4の場合。基地局における受信信号は計算機シミュレーションで生成し、D-wave社量子アニーリングマシンを利用して信号分離を実施）

次に、アルゴリズムを実装した無線通信実験系を開発。屋外での電波発射による原理検証を目的とした実験を実施した。その結果、エラーフリー（誤り率がゼロ）で伝送できることを確認した。シミュレーションにより、アルゴリズムを用いることで、基地局アンテナ1本当たり少なくとも7台まで端末局と同時接続できることを確認し、4台との同時接続を屋外実験で実証している。

世界で初めて、量子アニーリングマシンを用いた信号分離処理による非直交多元接続のオンラインでの屋外実験に成功したことになる。今後、10倍の達成に向けた演算手法の改良や実証を進めていく。また、次世代移動通信システムでは、大規模なビームフォーミングにおいても開発したアルゴリズムの応用が期待される。

さらに、このアルゴリズム自体は、無線通信信号処理以外にも適用できると思われ、さまざまな組合せ最適化が求められる分野、領域への適用が期待される。

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