特集

量子コンピュータの実用化を加速する取り組み
URL

https://journal.ntt.co.jp/article/23082

DOI

https://doi.org/10.60249/23095001

量子コンピュータのシステムアーキテクチャ実現に向けてIOWN（Innovative Optical and Wireless Network）時代のイノベーショ
ンの実現，例えば，デジタルツインコンピューティング（DTC）により未来予測を行うためには，超高速・超大規模な演算処理ニーズを満たすコンピューティ

さかうち

阪内

すみたか

澄宇

NTTコンピュータ＆データサイエンス研究所 所長

ング基盤が必要となります．そうしたニーズから，従来とは全く違う方式で演算を行う「量子コンピュータ」に注目が集まっています．NTT コンピュータ＆デー
タサイエンス研究所では，量子コンピュータの能力を最大限発揮するアーキテクチャ実現に向けた理論研究と，実用化に向けたシステム・ソフトウェア技術開発を両輪で取り組んでいます．
キーワード：# 量子コンピュータ，#イジングマシン，# 量子コンピューティングシステムアーキテクチャ

IOWN 構想に向けたコンピュー
ティング基盤刷新の必要性

量子コンピュータとは量子コンピュータは，1985年にオックス

ンピュータでは規模・精度ともに大きく不足しています．そのため，多くの企業・研NTT は「IOWN（Innovative Optical

フォード大学の物理学者デイビット・ドイッ

究機関により，多ビット化に向けた基礎的and Wireless Network）」 構 想 を 掲 げ，チュによる量子チューリング機械という計な研究開発が進められている段階です．一

現状の ICT の限界を超えた新しいネット算モデル提案（1）から始まったものと考えら方で，素因数分解を行うことができるようワーク・情報処理基盤を生み出すことを推れています．特に，1994年に米国の通信会な大規模かつ計算中に誤り訂正が可能な量進しています．その世界では，さまざまな社 AT&T（当時）の数学者ピーター・ショ子コンピュータ（FTQC：Fault Tolerant

ICT リソースを最適に組み合わせ（コグニアが，素因数分解問題を従来の CPU のよQuantum Computer）の実現に先駆け，ティブ・ファウンデーション：CF），あらうな古典コンピュータよりもかなり高速に量子ビット数が小さい現状においても，可ゆるものを光で高速に結ぶ（オールフォト解くことができる量子アルゴリズムを発表（2）

能な限り回路規模を小さくすることでノイニクス・ネットワーク：APN）ことで，実したことで一気に注目を集め，さまざまなズを抑え有用な計算の応用開拓を進めよう

世界とデジタル世界の掛け合わせによる未大学・企業によって量子力学的振る舞いをという動きもあり，このような小規模な量来予測も可能にする新たなサービスの提供

実際に演算に応用するさまざまなタイプの子コンピュータ（NISQ：Noisy Interme-（ デ ジ タ ル ツ イ ン コ ン ピ ュ ー テ ィ ン グ：

コンピュータの研究開発競争がスタートしdiate Scale Quantum）の研究開発も進DTC）を可能にすることをめざしています．

ました．このようなコンピュータには現状められています．

DTC による未来予測には，膨大なデーで大きく 2 つの方式，いわゆる量子コンタを処理し，桁違いの正確さと迅速さを提ピュータと，その派生としてイジングマシ性質を表す統計力学上のモデル（イジング供できるコンピューティング基盤が求めらンが存在します．

モデル）を用いて，古典コンピュータが解もう 1 つのイジングマシンは，磁性体のれます．IOWN 構想では，光電融合技術

量子コンピュータは，素因数分解を高速くのに時間がかかる問題の 1 つである「組による演算処理高速化の検討を進めていまに解くなど，さまざまな用途が期待されてみ合わせ最適化問題」を高速に解くことにすが，それに加えて，近年注目を集めていいるものです．量子の重ね合わせ状態を表特化したコンピュータです．量子コンピューる「量子コンピュータ」による，全く新し現可能な「量子ビット」を用いて，量子性タのように量子ビットを用いる方式と違い，いコンピューティング基盤への刷新も検討を用いて演算を行います．量子ビットの実用途は限定されますが，すでに一部商用化しています．量子コンピュータは量子力学

現には，超伝導を用いる方式や，光子を用も進んでおり，実用面で先行しています．

的振る舞いを利用することで，素因数分解いる方式，イオントラップ方式等，さまざNTT では，イジングマシンに関する技や最適化問題，化学シミュレーション等，まな方式が提案されていますが，現在は実術から，将来の量子コンピュータ（NISQ，従来のコンピュータが苦手としている問題装可能な量子ビットの数に限界があります．

FTQC）の実現に向けた技術まで，幅広くを高速に解くことが期待されています．こさらに，ノイズ等の影響により誤り（エラー）研究開発に取り組んでいます．イジングマ

うした量子コンピュータの特性を活かし，が発生するため，実用的な計算を行うには，

シンについては，光を用いて演算を行う

これまでに類をみないアプリケーションをその誤り訂正のためにさらに量子ビットをLASOLV® を開発し，その応用開拓も推進実現し，新たなサービスを提供することを必要とします．例えば，2048 bit の素因数しています．量子コンピュータについては，めざしています．

分解を行うには，誤り率を10‒4 に抑えた量

ハードウェア面では実装方式として光量子子ビットを，10 個用意することが求めら

方式，超伝導方式それぞれについて研究を7

10れるといわれています（3）が，現状の量子コ2023.9Quantum Computing【実現難易度】

FTQC(Fault Tolerant Quantum Computer)

NISQ

国プロ

(Noisy Intermediate Scale Quantum)

特化（誤り抑制・中小規模）

イジングマシン（特化型）
物理現象を用いた
イジングマシン
物理現象シミュレート
イジングマシン

量子力学や光の振舞を用いて解を得る
速度や解の多様性の面でシミュレータ
より優れる

物理現象をデジタル素子で模擬したマシン
FPGAやGPUで実装され実現性で先行

I社・G社（超伝導方式）

ノイズがありスケールが困難だがサイズが大きくなくても意味のある計算（機械学習や化学シミュレーションなど）への応用が期待されている

特 集

汎用（誤り耐性・大規模）

大きなギャップ（注力すべき研究課題）

I社・G社（超伝導方式）H社（イオントラップ方式）
国プロ

D社（超伝導方式）

F社（FPGA/GPU）

量子コンピュータ（特化→汎用）
用途特化
図1

進めており，ソフトウェア面では誤り訂正や誤り抑制の高性能化，効率化を実現する

【汎用性】

用途汎用

イジングマシン・量子コンピュータのポジションマップも用いることから，一般のアプリケーショ
図1ピュータといった実現方式それぞれに対し，イジングマシン・量子コンピュータのポジションマップ
さまざまな実装手段のハードウェアが研究・ン開発者にとっては現状敷居が高いものと方式・理論研究に取り組んでいます．また提案されてきています．それに対し，次のなっています．

2022年度末，理化学研究所が国家プロジェフェーズとして，量子計算を実現する各種クト「Q-LEAP」を通じ，国内初の量子計ハードウェアを制御し，意味のあるアプリ

いこなす部分についてライブラリ化や SDK

算クラウドサービスの提供を開始しました

ケーションを実行するための仕組み，すな（Software Development Kit）として実（4）が，このプロジェクトにはNTTコンピューわちコンピュータとしてのアーキテクチャ装することで抽象化し，アプリケーションタ＆データサイエンス研究所も参画してお確立に向けた研究開発競争も始まってい開発者を支援することに取り組んでいます．

り，量子コンピュータの制御ソフトウェアます．

さらに，古典コンピュータ黎明期のアセンの実装で貢献しています．

この課題に対し，量子ハードウェアを使量子コンピュータを活用するアーキテク

ブラ同様，現状ではさまざまな量子ハード

図 1 は， イ ジ ン グ マ シ ン，NISQ，チャの実現に向けては，さまざまな課題がウェアごとに特化したソフトウェア開発がFTQC のポジションマップを示しています．

挙げられます．これら課題に対し，NTT必要な点について，その特性を活かし最適FTQC は解ける問題の幅が広がりますが，コンピュータ＆データサイエンス研究所で化した処理を可能にする命令セットの構築相対的に実現難易度は高くなります．そこは，物理と情報科学を融合し，実用的な量や中間表現，高級言語，コンパイラの実現

で，NTT 研究所では，FTQC の実現を最子コンピュータのアーキテクチャ設計と使をめざします．

終ゴールとして，イジングマシンや NISQい方のあるべき姿を探求する，実用化を意（2） 量子コンピュータは特定の用途で高の開発に加え，FTQC へのギャップを埋め識した研究開発に取り組んでいます（図 2 ）．

る技術（Early-FTQC）の研究開発を進め，（1） 量子コンピュータ向けのアプリケー早期に実用可能なコンピューティング基盤を提供することをめざします．

量子コンピュータ実用化に向けたシステムアーキテクチャ技術
このように，イジングマシン，量子コンション開発が難しい
量子コンピュータは，専用の量子アルゴ速性を発揮する
量子コンピュータは重ね合わせ状態をうまく用いることで，多くの入力に対する演算を一度に実行する場合，例えば素因数分リズムを用いて問題を解くコンピュータで解などでは劇的な高速化が期待できますが，す．そのため，一般的な形式の問題を，複古典コンピュータが行う演算をすべて置き雑な量子アルゴリズムでどのように表現す換える高速性を有しているわけではないとるかを検討し，量子コンピュータ向けに変考えられています．すなわち，一種のアク換する必要があります．量子力学の知識等セラレータと位置付けられます．そのため，2023.911

特集

量子コンピュータの実用化を加速する取り組み

量子コンピュータ実現の課題

課題の解決方法

超伝導方式や光量子方式等の演算部分のハードウェア研究が進んできたが，ハードウェアを制御しアプリケーションを実行するための仕組みが未確立のため，コンピュータとして動作するアーキテクチャ検討が急務• さまざまな特性を持つ量子コンピュータ演算ハードウェアを使いこなすための要素技術の高度化• 制御ソフトやOS，コンパイラなどと組み合わせて動作可能とする 「量子コンピューティングシステムアーキテクチャ」 を実現

課
題⑴• 量子コンピュータ向けのアプリ開発が難しい• 一般的な形式の問題を量子コンピュータで処理可能とするには，複雑な量子向けアルゴリズムを駆使し形式を変換することが必要

取り組
み⑴• 量子コンピュータ活用アプリ開発を容易化するため量子ハードを使いこなす部分をライブラリ・SDKなどで抽象化• 量子ハード・古典ハードを横断し，各種演算リソースの特性を活かし最適化した処理を可能にする言語・コンパイラの実現

課
題⑵• 量子コンピュータの得意とする計算処理の能力を最大限に発揮するため，前処理・後処理も含め，古典演算ハードウェアとの分散・連携が必須

取り組
み⑵• 特定領域で高速性を発揮するアクセラレータである量子ハードと，汎用性のある古典ハードとを適材適所に組合せ，処理を適切に分散するオペレーティングシステムの実現課
題⑶• 量子コンピュータで有用な演算をするために，量子ビットの規模拡大やノイズ耐性強化によるスケーラビリティ向上が必要

取り組
み⑶• 量子ハードと協調した高精度・高速・コンパクトな集積化技術
や，優れた誤り抑制・誤り訂正理論を確立し実装することで，量子ハードの有用性をソフトの力で向上

図2

量子コンピュータを活用するアプリケーション

量子コンピューティングシステムアーキテクチャ

ライブラリ・SDK・言語・コンパイラ
分散オペレーティングシステム

量子ハード制御ソフト

組合せ最適に特化

シミュレーション等，特定領域を高速化

汎用QC

イジングマシン

ゲート型・NISQ

ゲート型・FTQC

量子演算ハードウェア等

古典演算
ハードウェア量子コンピュータを活用するアーキテクチャの実現に向けた研究開発 ※図内イラスト類の使用許諾確認をお願いします．
図2 量子コンピュータを活用するアーキテクチャの実現に向けた研究開発

アプリケーションとして価値を生み出すた

クトな集積化技術や，ハードウェア間の通めには，量子コンピュータが得意とする計信技術によるスケーラビリティ向上，優れ算処理の能力を最大限に発揮できるよう，た誤り抑制・誤り耐性理論確立と実装など

古典コンピュータと適材適所で連携するシを行い，ハードウェアの有用性をソフトウェステムを検討する必要があります．

アの力で向上していきます．

この課題に対し，各種量子コンピュータ

これら 3 つの課題に対するそれぞれの取と古典コンピュータを密結合的に組み合わり組みによって，量子コンピュータの能力せ，処理を適切に分散するアーキテクチャを最大限に発揮するシステムアーキテクチャを検討し，分散オペレーティングシステムを実現していきます．

• アイコンは以下の利用規約に則って利用しています

https://www.silhouette-illust.com/policy（2） P. W. Shor：“Algorithmsfor quantum• イジングマシンの写真はLASOLV筐体でNTTのものです• ゲート型・NISQの絵はこのページの作者が自分で作図
computation:
discrete logarithms andしています
factoring,” Proc．of FOCS 1994, pp. 124134, Nov. 1994. DOI: 10.1109/SFCS.
1994.365700（3） C. Gidney and M. Ekerå：“How tofactor 2048 bit RSA integers in 8 hours
using 20 million noisy qubits,” p.
arXiv:1905.09749. DOI: 10.48550/arXiv.
1905.09749（4） https://group.ntt/jp/newsrelease/2023/03/24/230324a.html

として具現化する研究開発を進めています．
（3） 有用な量子計算を実現するためにスケーラビリティの向上が必要
前述のとおり，さまざまな実装手段の量

量子コンピュータは，今までの古典コン子計算ハードウェアの開発が進められていピュータでは非常に時間のかかる問題を超ますが，量子超越性（量子コンピュータは高速に解くことができると予想されており，古典コンピュータよりも高速に計算できる）その実現が期待されています．NTT コンを決定的に証明する段階にはまだ至ってい

ピュータ＆データサイエンス研究所では，ません．その理由として，特に量子コン

本稿で述べた量子コンピュータのシステム

ピュータにおいては，意味のある演算を実アーキテクチャ実現技術について，実用化行するために必要な量子ビット数が足りなで先行するイジングマシンから今後さらないことが挙げられます．さらに，ハードウェる研究開発が必要となる NISQ，FTQC にアで実現した量子ビットもノイズに弱く，至るまで，それぞれの技術フェーズに合わ

そのエラーを訂正して演算するためには，せた取り組みを進めつつ，そこから得られエラー訂正のためにさらなる量子ビットがたフィードバックを組み合わせて技術の確必要になるという課題があります．そのた立をめざします．

め，量子ビット数の規模拡大や，演算の精度向上，回路の効率化による必要な量子ビット数の削減などが重要課題です．
この課題に対し，量子計算ハードウェア自体の研究開発による量子ビットの進歩と並走しながら，より高精度・高速・コンパ

12

今後の展開

2023.9■参考文献（1） D. Deutsch：“Quantum theory, theChur ch‒ T ur ing pr inciple and t heuniversal quantum computer,” Proc. ofR. Soc. Lond., Math. Phys. Sci., Vol.
400, No. 1818, pp. 97-117, July 1985. DOI:
10.1098/rspa.1985.0070

阪内 澄宇
量子コンピュータを実動させるためには，量子デバイス群を制御するソフトウェアが欠かせません．私たちは，計算能力を最大化するアーキテクチャ実現の理論研究とシステム・ソフトウェア技術の実用化開発を推し進めます．

◆問い合わせ先NTT コンピュータ＆データサイエンス研究所
企画担当
TEL 046-859-4003
FAX 046-855-1149
E-mail cd-koho-ml ntt.com