量子コンピュータのコンパイラ高速化技術を開発

図3 量子コンピュータパフォーマンスの改善（概念図）

確率的手法により最適なゲートシーケンス探索時間を桁違いに短縮

2024年5月9日

国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT）

国立研究開発法人理化学研究所

東京理科大学

東京大学大学院理学系研究科

ポイント

■　量子コンピュータで実行する最適シーケンスを生成する新しいコンパイル手法を開発

■　新しい手法は確率的探索手法に基づき、最適シーケンスを探索する時間を桁違いに短縮

■　量子インターネットを支える量子ノードでの量子情報処理にも貢献が期待

　国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT（エヌアイシーティー）、理事長: 徳田 英幸）は、国立研究開発法人理化学研究所（理事長: 五神 真）、東京理科大学（学長: 石川 正俊）、東京大学（総長: 藤井 輝夫）と共同で、量子コンピュータに最適な量子ゲートシーケンスを確率的探索手法を用いて迅速に探索する技術の開発に初めて成功しました。

　量子コンピュータにタスクを実行させるには、コンパイラを使い、プログラミング言語で書かれた命令を量子ビットへのゲート操作で構成されるシーケンスに変換する必要があります。私たちは、最適制御理論（GRAPEアルゴリズム）を網羅的探索に応用して、理論的に最適なものを特定する手法を開発しましたが、量子ビット数が増えるに従い、可能な組合せの数が爆発的に増えるため、網羅的探索が不可能となります。例えば、6量子ビットで構成される任意の量子状態を生成するタスクに対して、もし、網羅的な探索を行って最適なゲートシーケンスを見つけようとすると、現在最速の古典コンピュータを使っても、宇宙の年齢よりも長い時間がかかります。

　そこで、今回私たちは、確率的アプローチによる最適な量子ゲートシーケンスを探索する手法の開発を試み、成功しました。新しい確率的探索手法を使用すると、上記の問題に対する最適な量子ゲートシーケンスの探索が数時間ででき、桁違いに簡単になることが、スーパーコンピュータ「富岳」を使い、確認・実証されました。

　この新しい手法は、量子コンピュータのコンパイラを高速化し、実用的な量子コンピュータの有用なツールとなることや量子コンピューティングデバイスの性能向上につながることが期待されます。また、量子中継のノードにおける量子情報処理の最適化にも応用できるため、量子インターネットの実現や環境負荷の低減に貢献することが期待されます。

　なお、本成果は、2024年5月6日（月）に、米国の科学雑誌「Physical Review A」に掲載されました。