Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

量子光学 / 量子情報 / 量子コンピュータ / 連続量量子情報処理 / 量子アルゴリズム

研究代表者はこれまで、次世代の超高速コンピュータとして、汎用・大規模光量子コンピュータを実現する独創的な手法を考案・開発してきた。本研究では、研究代表者の光量子コンピュータ固有の強みを活かし、実際に光量子コンピュータで意味のある問題を解くことを目指す。これは、将来的に光量子コンピュータを実社会応用していくための第一歩となる。

2020年度の時点では、本研究で用いるための、高性能な量子光源（光パラメトリック発振器）と高量子効率・広帯域なホモダイン検出器の開発に成功しており、その評価までを終えていた。2021年度は、それらの構成要素を組み合わせることで、本研究の量子計算を行うために必要な光回路系および制御電気回路系を全て完成させた。はじめに、完成した光回路を用いて基本的な量子計算の動作確認を行い、本目的を遂行する上で十分な精度で動作していることを確かめた。さらに、この光回路を用いて、実際に目標としている意味のある問題を光量子コンピュータに解かせる実験に着手した。この実験を始めると、実験パラメータの選び方や、実験結果の評価に必要なデータ点数などを再検討する必要があることが判明した。そこで、量子計算理論を専門とする他の研究者とも議論しながら、数値シミュレーションなども行い、実験条件を明確化した。この実験条件の下で、実際に光回路を動作させてデータを取得し、量子計算が想定通り正しく動作しているという確証が得られつつある。

量子アルゴリズム / 量子計算 / 高階量子演算 / 超写像 / 量子プログラミング / 量子情報 / 関数型量子プログラミング / 量子コンピュータ / 量子情報理論

関数型量子プログラミングの可能性を探索するために、量子演算を入力として量子演算を出力とする関数である高階量子演算の量子コンピュータ上での実装可能性や実装に必要なリソースを解析した。特に、入力となる量子演算の古典的記述を経ずに、ブラックボックスとして与えられる入力量子演算に対して高階量子演算を直接実行しうる量子情報処理の特性（匿名性）を生かした新たな量子アルゴリズムとして、ユニタリ変換の共役化・転置化・逆変換化・制御化を実装する量子アルゴリズムを提案および性能評価を行った。また、高階量子演算を応用し、完全量子学習および分散型量子情報処理における並列性・因果性の特性を解明した。

量子プログラミング上有益な多くの高階量子関数について実装不可能が知られており、このことが関数型量子プログラミングの発展の大きな障壁となっていた。本研究では、入力量子演算を複数回コールすることにより実装不可能性を回避し、匿名性を保ったままユニタリブラックボックスの逆変換化などの有用な高階関数を実装する方法を示した。このことにより、量子コンピュータの新しいプログラミング方法として、関数型量子プログラミングの可能性を切り拓き、量子コンピュータの新たな活用可能性を示した点が本研究成果の学術的意義・社会的意義である。

量子エンタングルメント / Bell不等式 / 凸多面体理論 / カット凸面体 / Holevo容量 / 最短格子問題 / 量子情報 / 量子計算 / 最短格子点問題 / Bell凸多面体 / 量子通信路容量 / 量子加法性 / 量子アルゴリズム

量子情報科学について新しい情報処理パラダイムとして研究展開が図られているが、これまでの日本における量子計算・量子暗号の研究は、Shorの素因数分解とGroverの探索といった典型的量子アルゴリズムやBB84量子暗号といった典型的暗号に集中してきたきらいがある。より根本に立ち戻って量子力学原理に基づく情報処理を考えたとき、典型例が逆に研究の発展を阻害しているともいえる。本研究では、量子情報と量子計算の融合分野に取り組み、新たにこの分野で萌芽的な研究を目指している。
本年度の研究では、情報処理のための量子力学的性質として量子もつれ(量子エンタングルメント)について、それによって局所操作で実現できる情報共有を調べるため、Bell不等式の理論を組合せ凸多面体理論から構築することについてさらに研究を進めた。その成果として、これまでタイトなBell不等式は数パタンしか知られていなかったのに対して、カット凸多面体理論を展開することによって多数のパタンが生成できることを示した。これによって、どのBell不等式を破っていれば、量子特有の情報共有を展開できるかを調べる素地が構築できた。また、既存の量子エンタングルメント度に関する未解決問題である加法性に関連して、量子通信路容量の典型的なものであるHolevo容量を計算するアルゴリズムを開発し、それを用いて量子エンタングルメント度でも定量的な解析ができることを示した。代数的な深化による量子アルゴリズムの開発についても研究協力者の大学院生とともに基礎調べを進め、格子構造に関する有限群の隠れ部分群問題の量子アルゴリズムの研究を展開することができた。

【研究分担者】
添田彬仁	東京大学	大学院理学系研究科(理学部)	助教	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
名取伸	東京大学	大学院・理学系研究科	助手