量子計算

量子計算とは

量子コンピュータは、0と1のどちらかを表す古典的なビットの代わりに、0と1の重ね合わせをとれる量子ビットを使って情報を処理します。量子ビット同士の量子もつれや量子状態の干渉を利用することで、特定の問題を古典コンピュータとは異なる原理で処理します。

量子計算には、量子ゲートを組み合わせて幅広い計算を行う方式のほか、量子アニーリングやボソンサンプリングのように特定の問題に特化した方式もあります。現在の量子デバイスには、量子ビット数や計算精度、実行できる回路の深さに制約があり、こうした条件のもとで、どこまで計算できるかを探る研究も進められています。

量子コンピュータをどう使うか

量子コンピュータをどのような問題に使えば利点が得られるのかは、実は自明ではありません。そこで、限られた規模の量子回路を機械学習や最適化などへ応用する研究が進められています。

たとえば、量子回路のパラメータを学習させてデータを分類する量子機械学習や、多数の候補から良い組合せを探す組合せ最適化への応用があります。武岡研究室では、量子近似最適化アルゴリズム（QAOA）や変分量子アルゴリズム、量子分類器などを研究し、古典的な手法と比べてどのような条件で量子計算を生かせるのかを調べています。

現在利用できる量子デバイスの制約を踏まえ、少数の量子ビットや浅い量子回路でどこまで計算できるかを調べることも重要なテーマです。理論や数値シミュレーションに加え、光量子回路を使った共同実験でも検証しています。

量子コンピュータを大規模化する

量子コンピュータの性能を高めるには、量子ビットの数を増やすだけでなく、誤りを抑えながら量子状態を正確に制御する必要があります。そのため、実際のデバイスで生じる雑音を調べて量子誤り訂正につなげる研究や、量子系を精密に操作する量子最適制御の研究が行われています。

また、一つの量子コンピュータを大きくする代わりに、複数の量子コンピュータや量子モジュールをネットワークで接続し、協調して計算する「分散量子計算」という考え方があります。異なる量子デバイスの間で量子もつれを生成し、量子情報をやり取りできれば、複数の装置を一つの計算資源として利用できる可能性があります。

武岡研究室では、光子を使った量子コンピュータ間の接続、量子最適制御、量子誤り訂正、連続量を用いた光量子情報処理などを研究しています。量子光学と量子情報理論の両方を手がかりに、物理デバイスと情報処理を一体として考えています。

武岡研究室の量子計算研究

武岡研究室は量子計算のみを専門とする研究室ではありませんが、量子光学や情報理論で培ってきた考え方を生かし、量子計算へ研究を広げてきました。現在は、量子コンピュータを接続して大規模化する研究と、機械学習や最適化などへ応用する研究も進めています。

具体的な研究テーマやメンバーについては「分散量子計算」と「量子機械学習」の各チームページで紹介しています。

分散量子計算

複数の量子コンピュータを光などで接続し、協調して計算するための技術を研究しています。量子ノード間の接続や量子最適制御、量子誤り訂正、連続量光量子情報処理など、量子計算の大規模化に関わる幅広い課題を扱っています。

分散量子計算

量子機械学習

量子回路を機械学習や最適化に応用する方法を研究しています。量子分類器や変分量子アルゴリズム、組合せ最適化などを通して、現在の量子デバイスをどのような計算に生かせるかを理論と数値シミュレーションで調べています。

量子機械学習