【研究領域課題番号】20H01833 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究分野】情報学基礎理論

【研究領域課題番号】17H01694 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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。

【研究の社会的意義】

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。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】15,990千円 (直接経費: 12,300千円、間接経費: 3,690千円)

【研究分野】数理物理・物性基礎

【研究領域課題番号】16H02211 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

孤立量子多体系 / 熱力学第二法則 / リソース理論 / 量子情報 / 情報スクランブリング / 情報熱力学 / 数理物理 / 統計物理 / 量子エレクトロニクス / 量子計算 / 量子カオス / 熱機関 / 統計力学 / 量子コンピュータ

【研究成果の概要】

本研究で我々は、量子多体系の非平衡ダイナミクスの研究、とくに熱力学第二法則が量子力学から如何にして創発するかについての理論研究を行った。その結果として、第二法則やその一般化であるゆらぎの定理を量子力学に基づいて理論的に示し、それを数値実験によって検証することに成功した。また、その背景となる固有状態熱化仮説や、その例外である量子多体スカーについての研究も行った。さらに情報スクランブリングや熱力学リソース理論など、量子情報理論を含めた様々な観点から、量子多体系の第二法則の理論研究を行い、成果を得た。

【研究の社会的意義】

ミクロで可逆な世界の基本法則である量子力学から、マクロで不可逆な世界の基本法則である熱力学第二法則が如何にして創発するかは、物理の基本原理の観点からのみならず、冷却原子気体など孤立量子多体系の制御技術の観点からも重要である。我々は、第二法則が量子力学から創発する機構を理論的に解明したのみならず、量子情報理論など隣接分野のアイデアを取り入れた様々な研究を行った。そうして得られた成果は、量子多体系の非平衡ダイナミクスの理解に大きく貢献し、さらには量子多体系の物理と量子情報理論の境界領域を開拓するのに資するものである。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2016-04-01 - 2021-03-31

【配分額】45,110千円 (直接経費: 34,700千円、間接経費: 10,410千円)

【研究分野】情報学基礎理論

【研究領域課題番号】15H01677 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子計算 / 量子最適化 / 量子回路設計 / 量子グラフ状態 / エクスパンダグラフ / 分散量子計算 / 凸多面体 / 量子近似最適化 / 量子アニーリング / Isingモデル / 分配関数 / ノイズ付き量子コンピュータ / 量子計算理論 / 最適化 / 多面体的組合せ論 / メタヒューリスティック / 量子コンピュータ / グラフ枝向き付け / Euler閉路 / トポロジカル量子計算 / 量子エンタングルメント / 分散量子情報 / メタヒューリスティックス / Iceモデル / 6点モデル / 量子ネットワーク / 量子測定計算 / 量子測定 / 量子情報 / 凸多面体的組合せ論

【研究成果の概要】

量子計算の優位性をBell不等式の破れの周辺で理論・実験的に検証することに取り組んだ。一般化Bell不等式とカット多面体の関係を踏まえ、量子グラフ状態に対するスケーラブルな不等式を、近似量子コンピュータで実験して破れを検証した。足切り横断マトロイドの多面体の拡張定式化の直接的な多項式オーダの記述法を与えた、最大カット問題を近似的に解く古典・量子の近似最適化法を解析した。エクスパンダグラフを用い量子グラフ状態での量子優位性を理論的に示した。最適化手法を用いて、耐エラー性をもつ量子回路で必須のTゲート数最小化を古典論理の範囲を超えて、真に量子的最適化した量子回路を示すことができた。

【研究の社会的意義】

初期の量子コンピュータが、ノイズの関係で浅い回路の範囲で有効であると見通し、基本問題の一般化Bell不等式の研究を理論的に進めたことで、研究期間中に利用可能となった100量子ビット以上の量子コンピュータでの計算で量子性が検証できた。このことは、これからの量子計算能力実証のベースになるものである。さらに、量子グラフ状態でのグラフ理論を活用して、量子計算機の能力が古典コンピュータを超えるものであることも示せており、将来展望を開く成果となっている。量子回路設計でも多様な最適化回路を提示することができ、量子回路にそれらが実装されることで、社会問題の解決を支える基礎の構築ができている。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2020-03-31

【配分額】43,290千円 (直接経費: 33,300千円、間接経費: 9,990千円)

【研究分野】原子・分子・量子エレクトロニクス

【研究領域課題番号】25247068 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子情報 / 量子光学 / 量子通信 / 量子コンピューター / 量子暗号 / 冷却原子 / 波長変換 / 非線形光学 / 量子情報処理 / エンタングルメント / 量子媒体転送 / 多体量子系 / 量子ネットワーク / 量子エレクトロニクス

【研究成果の概要】

量子情報処理実現に欠かせない「異種多体系間のインターフェース技術」の基盤技術の開拓のため、①光子の量子ビットと原子の量子ビットの間の転送、②伝送路の光位相雑音とビットエラーの高効率除去、③多体エンタングルメント構成法および新しい利用法の理論的提案を行った。概ね予定通りあるいは予定以上の結果が得られた。出版論文はNature Photonics、Scientific Reports、New Journal of Phys.、Phys. Rev. Aなど20件、国際会議は招待講演11件を含む43件、国内学会は招待講演6件を含む52件であり、新聞報道および多数のネットニュースによる報道があった。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】43,680千円 (直接経費: 33,600千円、間接経費: 10,080千円)

【研究分野】原子・分子・量子エレクトロニクス

【研究領域課題番号】23244080 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子情報 / 量子制御 / 量子エレクトロニクス / 量子コンピュータ

【研究成果の概要】

本研究では、スクイーズド光を用いたアダプティブホモダイン測定に成功し、その成果がScience誌に掲載された(H. Yonezawa et al., Science 337, 1514 (2012))。また、共振器長48mmの超小型リング共振器パラメトリック発振器および超広帯域ホモダイン測定器の開発に成功し、高レベル・広帯域のスクイーズド光生成および測定に成功した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】49,010千円 (直接経費: 37,700千円、間接経費: 11,310千円)

【研究分野】原子・分子・量子エレクトロニクス

【研究領域課題番号】21540413 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子情報量子 / コンピュータ / ランダム行列理論 / 多変数超幾何関数 / 量子情報 / 量子コンピュータ / 量子絡み合い / ランダム行列

【研究成果の概要】

2自由度結合系において動力学的に形成される量子絡み合いの統計性を調べた。研究の主要な点は以下の2点である。(1)量子絡み合い状態のモデルとして、行列要素が確率変数となるランダム行列を採用し、その行列のランダム行列理論を独自の手法で構築した。(2)大規模な数値計算を行い、量子動力学的に形成された絡み合い状態のSchmidt固有値の一体分布関数を精密高く求めた。これを、(1)で導出したランダム行列のSchmidt固有値の一体分布関数と比較した。この比較により、量子カオス動力学によって作られた状態がランダム行列とみなせることを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】原子・分子・量子エレクトロニクス

【研究領域課題番号】20244063 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子情報 / 量子エレクトロニクス / 量子コンピュータ / スクイーザー / スクイーズ / 量子情報処理 / 量子テレポーテーション / 広帯域

【研究成果の概要】

広帯域ユニバーサルスクイーザーの作製に成功し、単一光子状態をスクイーズし、シュレディンガーの猫状態を生成する事に成功した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2008 - 2011

【配分額】48,750千円 (直接経費: 37,500千円、間接経費: 11,250千円)

【研究分野】情報学基礎

【研究領域課題番号】20300002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子コンピュータ / 量子計算 / アルゴリズム / 量子情報 / 離散数学 / 量子エレクトロニクス / 計算機システム

【研究成果の概要】

現在のコンピュータの限界を超えるモデルとして量子計算を対象とし、そのパワーの源である量子相関を解析した。古典力学では現れない相関をもたらす量子相関について、離散最適化の観点からカット多面体を軸とする方法、連続最適化の観点から量子最大破れを解析し、また計算量の観点から対話型証明系との同値性を示し、量子相関の体系的に解明した。さらに量子計算モデル及び量子情報の研究へ展開をはかり、離散・連続の幾何構造を解明した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円)