分散型量子コンピュータの設計指針となる新計算法を開発

NTTと立命館大、分散型量子計算のチップ間操作の成功確率限界を計算する新手法を開発

CATEGORY: テクノロジー

NTT株式会社と立命館大学理工学部の大坂博幸教授による共同研究グループは、分散型量子コンピュータにおいて重要となるチップ間量子操作の成功確率限界を計算する手法を開発しました。

無数に存在する量子操作の実現方法を代数幾何に基づいて分類および探索することにより、従来の手法と比べて10倍以上高精度かつ100倍以上高速に成功確率の限界を計算することを可能にしました。本研究成果は学術誌「Letters in Mathematical Physics」に掲載されています。

分散型アーキテクチャにおけるチップ間処理の課題

量子コンピュータの大規模化に向けては、1つのチップに搭載できる量子ビット数に限りがあることから、複数のチップを連携させる分散型アーキテクチャが有望視されています。別々のチップ間をまたぐ処理には「量子もつれ」を利用したチップ間量子ゲートが用いられますが、実際の量子もつれはノイズの影響を受けやすく、処理が失敗して量子計算全体の精度低下につながるリスクがあります。

高品質な量子もつれの準備には多くの量子ビットが必要となり、計算資源のコストがかかるため、量子もつれの質とチップ間量子ゲートの成功確率の関係を示す「限界曲線」を把握することが求められていました。しかし、従来の手法では幅広い条件に対応させると計算時間が長くなり、短時間で計算できる手法では対象ごとに再設計が必要になるといった課題が存在していました。

代数幾何を用いた探索空間の分解と高速な計算

今回の研究では、候補となる処理全体を「探索空間」として表し、代数幾何の考え方を用いて計算しやすい小さな要素へと分解しました。そのうえで、分解した各要素に対して段階的に近似精度を高めて個別に探索を行うアプローチを採用しています。

これにより、探索空間全体をまとめて近似していた従来法と比べて、限界曲線の存在範囲を10倍以上高精度かつ100倍以上高速に絞り込むことに成功しました。さらに、チップをまたぐ幅広い量子操作において、成功確率を100％にするためには最高品質の量子もつれが必要であることを理論的に示し、従来の知見を測定を含むより広い量子操作へと拡張しています。

本手法は、光量子方式をはじめとする多様な量子コンピュータの実現方式に加え、量子操作、チップ構成、ノイズの種類に広く対応します。

研究体制と今後の展望

本研究において、NTTは全体統括を担い、成功確率限界を計算する理論の構築やプログラムの作成、計算結果の分析および有効性の確認を担当しました。立命館大学の大坂博幸教授は、代数幾何などの数学的知見をもとに提案手法の理論的な正しさを確認し、数理的な基盤づくりを支援しました。

今後は、理論上の最適な手順を実際の量子デバイスで検証し、ノイズを含む量子もつれを用いたチップ間処理の成功確率を実験面からも確認していく方針です。また、必要な量子もつれの品質や適切なチップ構成・接続方式を事前に見積もることで、量子計算全体の信頼性と実行効率の向上や、光量子コンピュータの大規模化に向けた設計指針への活用をめざすとしています。

なお、本研究は国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）のムーンショット型研究開発事業ムーンショット目標6「2050年までに、経済・産業・安全保障を飛躍的に発展させる誤り耐性型汎用量子コンピュータを実現」における研究開発プロジェクト「誤り耐性型量子コンピュータにおける理論・ソフトウェアの研究開発（JSTJPMJMS256E）」の支援を一部受けて実施されました。

論文情報

雑誌名：Letters in Mathematical Physics
題名：Optimizing entanglement manipulation via algebraic–geometric decompositions and semi-definite programming hierarchies
著者名：Seiseki Akibue, Jisho Miyazaki & Hiroyuki Osaka
DOI：10.1007/s11005-026-02138-9
URL：https://link.springer.com/article/10.1007/s11005-026-02138-9

本記事はNTT株式会社の発表をもとに作成されています。

Dellows News編集部

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