特集

新原理コンピュータへの取り組み

量子情報処理誤り訂

正誤り抑制

量子情報処理の誤り耐性技術とその実装方式
量子情報処理を幅広く活用するためには，ノイズに対処するための誤り耐性処理が必須となります．量子誤り訂正符号を用いた誤り耐性量子計算は，スケーラブルとなりますが量子ビット数や処理の増加が大きいため効率化が今後の重要な研究課題となっています．
量子誤り抑制は計算コストがかかりますが，量子ビット数のオーバヘッドがかからないため近い将来の活用が期待されています．本稿
では，これらの研究開発および量子情報処理の実装に向けた取り組みも合わせて紹介します．

はじめに

とくながゆうき

すずき

やすなり

徳永

裕己

鈴木泰成

えんどう

すぐる

あさおかるい遠藤傑

浅岡類

NTT セキュアプラットフォーム研究所

トフォーム研究所では，この量子情報をエラーやノイズから守る誤り耐性技術を重要な量子コンピュータや量子ネットワークの可基盤技術として研究を進めています．量子情能性が近年注目されつつありますが，その実報処理のための誤り対処法としては大きく分現のためにもっとも必須となる技術が誤り耐

けて 2 つの手法があります．それは量子誤り性技術です．量子情報処理と既存の情報処理訂正符号と量子誤り抑制（ノイズ補償）手法（古典情報処理）で起き得るノイズ量には莫です．量子誤り訂正符号は，量子ビットを冗大な差があります．古典情報処理ではエラー長に符号化することによって，一部にエラーが起きる頻度が小さいため，多くの情報処理が起きても復号をすることで訂正が可能な手はそれほどエラーを気にせず処理可能でし法です．これはスケーラブルに誤り耐性処理た．しかし，量子情報処理ではエラーが起きが可能であることがこれまでに分かっているる頻度が非常に大きいため，エラー対策なし

唯一の手法であり，将来的な規模の大きな量で行える計算は小さな規模のものでしかない

子情報処理の実用化のために必須な技術であことが分かっています．量子情報処理をスると予想されます．しかし，符号化のためにケーラブルにし，有用なさまざまな計算を行必要な量子ビット数や処理数の増加が避けらい，大きなネットワークとしていくためには，れず，これによる誤り耐性処理の実現は少し量子情報の誤り耐性処理を行い，量子情報を先になると考えられています．では，それまノイズから強固に保護をする必要性がありまで何も打つ手がないのかというとそうではなす．このため，量子情報処理においては，誤く，もう 1 つの技術として注目されているのり耐性処理がコンピューティング技術およびが量子誤り抑制（ノイズ補償）手法です．こネットワーク技術アーキテクチャの根幹部分

れは量子ビット数のオーバヘッドなしに正しとなると予想されます．NTT セキュアプラッ

い計算結果を予測することで，計算結果から2021.3

43

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新原理コンピュータへの取り組み誤りを取り除こうという技術です．誤りのな

誤り訂正符号を用いて量子ビットを符号化

い計算結果の予測のために計算処理のコストし，エラーを間接的に検出し訂正し続けるこは増加し，スケーラブルとはなりませんが，とで回避できますが，量子誤り訂正を行った

量子ビット数のオーバヘッドがいらないため，状態で計算を行うには誤り訂正をしない場合

まだ量子情報処理の規模が小さいうちに重要に比べ，時間，サイズともに数百倍や数千倍な技術とされています．一方で，実装する要といった莫大なリソースが必要となります（1）．

素技術そのものができる限り精度が高いこと，このように，量子コンピュータは「揮発性メネットワーク処理や分散処理に向けての機能モリから揮発する情報をリフレッシュの代わが高いことも重要です．本稿では，量子誤りりに誤り訂正符号と高速なフィードバックで訂正符号を用いた誤り耐性量子計算に向けた抑え込む」ような複雑な計算機アーキテクチャ

ソフトウェア基盤の研究開発，量子誤り抑制になることを宿命付けられています．した（ノイズ補償）手法の技術，および実装するがって，実用的な誤り耐性量子コンピュータための要素技術について紹介します．

を実現するには，優れた量子デバイスの開発

誤り耐性量子計算の実現に向けた研究開発

44に加え，容易な拡張性，広帯域なインタフェース，安価でロバストな制御などを満たすシステムの構築が必須となります．私たちのグ

量子コンピュータは物質の重ね合わせ状態

ループは，実用的な誤り耐性量子コンピューを利用しさまざまな情報処理を可能にします

タを実現するべく，理化学研究所や大学と共が，その代償としてノイズに対して脆弱で，同で高い性能と信頼性を両立する超伝導量子単位命令のスループットが遅いという欠点をコンピュータの研究開発を行っています．こ持ちます．既存の計算機のメモリ，例えばこでは，私たちが重点的に取り組んでいる量DRAM（Dynamic Random Access Mem­子コンピュータのソフトウェア基盤についてory）ではキャパシタの充電・放電で0,1を表

3 つのトピックを紹介します（図 1 ）．

し，十分なマージンを設けたしきい値動作の

１ 番目は，チップ上の多数の超伝導量子もと，自然放電で情報が失われるより早くリビットを効率的に特徴付けし，校正を行うシフレッシュを行うことで，小さなオーバヘッステムです．現状の超伝導量子ビットは性能ドで情報の長期保存を実現しています．これのばらつきから個別制御が必須であり，計算に比べ，同じく電子を操る超伝導回路を用い機は大量の FPGA（Field Programmable

た量子ビットは，ビット反転といった単位操Gate Array）やマイクロ波源などからなる作が低速なだけでなく，量子力学の性質の 1

巨大な分散システムとなっています．私たちつであるクローン禁止定理などから直接的なはこうした機器を非同期に制御し，大量の量リフレッシュが行えません．この問題は量子子ビットを自動かつ高速に校正するためのラ

2021.3

特集

イブラリを構築し，機械学習や量子的なランピュータの大規模化は，大規模な分散システ

ダム性を活用した効率的な特徴付けや校正のムを駆使し，最適化された制御デバイスとア（2）（3），手法を提案しています

ルゴリズムで高い実効性能と信頼性を確保し2 番目は，量子誤り訂正での復号に必要なつつ，いかに集積化された量子デバイスを制演算やフィードバックを行う周辺回路の設計御するかという戦いであり，こうした技術をです．量子誤り訂正で用いられるトポロジカ

研鑽してきた NTT 研究所に適した挑戦的課

ル誤り訂正符号でのエラーの最尤推定は，最題といえます．

．

小重み完全マッチングと呼ばれるグラフの問

量子誤り抑制（ノイズ補償）手法

題に帰着できますが，この問題の素朴な解法はレイテンシが大きく実用的でないため，デー

2019年10月，量子コンピュータが古典コンタ構造や計算機アーキテクチャを工夫し速度ピュータで解くのに 1 万年かかるといわれたを改善する必要があります．私たちのグルー問題を53量子ビットの小規模な量子デバイス

プは，小規模な符号の復号回路を機械学習でを 用 い て 200 秒 で 解 く こ と が で き た と最適化する手法 や，単一磁束量子を用いたGoogle が発表しました（₇）．この実証実験で高速な復号手法の提案（5）に取り組んでいます．

使われたような小規模でノイジーな量子コン

3 番目は，前述のような提案を評価するた

ピュータは，NISQ（Noisy Intermediate­めのプログラムを，技術レイヤをまたいで翻Scale Quantum）コンピュータと呼ばれて訳する処理系とこれをシミュレートするソフいます．Google が解いた問題は， 1 万年でトウェア群の構築です．特に，量子回路のシはなくスーパーコンピュータを用いて数日でミュレータは緻密な高速化によっていくつか解くことができるという反論もありますが，のベンチマークで世界最高速を実現していま量子コンピュータのサイズが大きくなるにしす ． 前 述 の よ う に， 誤 り 耐 性 量 子 コ ン

たがって，この差はさらに広まっていくと考

（4）

（₆）

全体を俯瞰した効率的な設計を提案し，高速にベンチマークするアルゴリズムとソフトウェア
アルゴリズムの記述
q0
q1
q2

UU U

U
U

U

M

制御装置

init 0, h 0, cnot 0 1, …

U

0,0,1,1,…

計算，センシング
通信，セキュリティ，etc…

量子ビット

量子プロセッサ

柔軟な信号処理と高速な復号/訂正

超電導回路
スピン0

光量子

1

自然原子

RPCソフトウェアを介した高速なスケジューリング
30年後の実用化を見据えたロードマップの構築とアーキテクチャの設計

データ構造とアルゴリズムを駆使した
高速かつ現実的な復号のサイクル設計
実験記述用のドメイン専用言語

解析のパイプラインによる自動的な校正
実験ログ

柔軟かつ高機能な計測システム

図1

誤り耐性量子計算とそのソフトウェア基盤の概念図

2021.34₅

特集

新原理コンピュータへの取り組みえられています．このような小規模量子デバ

ンピュータの計算エラーはノイジーな操作をイスをどのように実用上役立てれば良いかと加えることなどにより，あえて増やすことは世界中の研究者が研究しており，主に化学計できます，そこで，もともとの結果と，計算算や機械学習への応用が期待されています．

エラーを増やした後の結果を外挿することに一方，このような小規模量子コンピュータ

よって，計算エラーのない計算結果を推定での計算エラーは無視ができません．歴史的にきるのが外挿法です．外挿法の概念図を図 2

エラーを抑える手法として量子エラー “ 訂正 ”に示します．また，計算エラーのエラーモデが研究されてきました．量子エラー訂正では，ルを同定し，そのエラーの逆変換をほどこし１ 論理量子ビットを表すのに複数の量子ビッて実効的にエラーをキャンセルする擬似確率トで符号化しエラー訂正を行うことで，符号法と呼ばれる手法も存在します（9）．ほかには，化に用いた量子ビット数に対して指数関数的対称性検証法，部分空間展開法などといったにエラーを抑えることができますが，量子ビッ手法があります．詳細は筆者が執筆したレ

ト数が限られている NISQ コンピュータにビュー論文（8）を参照してください．

は不向きです．そこで，ハードウェア側の負さらに，私たちのグループはこれから量子担を大きくすることなくエラーを抑える量子ビット数が増えていくと見越して，量子誤りエラー “ 抑制 ” の研究がさかんに行われてい訂正を用いた誤り耐性量子計算がある程度可ます（8）．量子エラー抑制は量子ビット数を増能になった後も，さらに計算精度を向上するやす必要はありませんが，より多くの測定回ために量子エラー抑制が有用であるというこ数が必要となります．とを世界で初めて示し（10），量子エラー訂正

近年さまざまなエラー抑制法が提案されてと量子エラー抑制は別々に考えるべきものでいます．ここでは，まず，もっともシンプルはなく，統合したスキームとして考えるべきで分かりやすい外挿法を説明します．量子コであることを示しました．

要素技術の実装方式

計算結果

正しい計算結果を推定

これまでは与えられた実装方式のうえで，誤り耐性処理をソフトウェア的にいかに効果あえてエラーを増幅的に行うかという取り組みを紹介してきました．一方で，要素技術の実装方式そのものが精度高く動作すること，実装の規模が大きく計算エラーの大きさ達成できるエラーの大きさ

図246

量子エラー抑制（外挿法）の概念図2021.3

なること，ネットワーク化，分散処理などその機能が高度になっていくことも，誤り耐性を強くするうえで重要な技術です．特にネッ特集

トワークを含めた機能を拡大するために重要損失とゲートの忠実度の面で誤り耐性にトな 技 術 が， 共 振 器 量 子 電 磁 力 学（ 共 振 器

レードオフが起こることを考慮し，誤り耐性QED）を用いた原子と光子の相互作用（図 3 ）が最適となる実装方式を検討しています（13）．

によるさまざまな要素技術であり，NTT セ

また，超伝導量子コンピュータを分散処理すキュアプラットフォーム研究所では，量子中るためには超伝導量子ビットと同じ周波数領継などを含めた将来的な量子セキュアネット域であるマイクロ波の光子との量子ゲートやワーク基盤のためにこの実装方式について研ルーチングなどを行う必要があります，これ究を行っています．

らを効率的に行う回路量子電磁力学（回路まず，通信のためには通信用の量子ビットとなる光子を高効率で生成する必要があります．レーザの微弱光による代用や非線形結晶を用いた生成では単一光子としての精度や効QED）を用いた技術についても研究を行っ（15）ています（14），．

お わりに率に問題点がありますが，共振器 QED を用

私たちは量子情報処理の誤り耐性処理に向いた場合は，精度の高い単一光子生成が高効けて，ソフトウェア的にいかに効率的に優れ率に可能となります（11）．さらにパルス長をた誤り耐性処理を行うかという観点から，誤短くしていくことで繰り返しレートの向上もり耐性量子計算のソフトウェア基盤の研究開図り，情報処理としての総合的な性能が向上

発および量子誤り抑制手法の研究を行っていするよう検討を進めています．また，原ます．また，物理実装の要素技術自体の精度子を量子ビットメモリとし，光子を通信用のや効率を良くし，いかに機能を拡大するかと量子ビットとした場合に，共振器 QED を用いう逆の面からの研究開発にも取り組んでいいると原子と光子の間で精度の高い量子ゲーます．最終的に，十分規模の大きな誤り耐性トが可能となります．これについては光子の量子コンピュータの実現はまだ遠い将来だと（12）

制御光自然放出共振器の内部損失（吸収・散乱）

結合レート
原子ミラー

図3

光子
共振器の外部損失（外部取出レート）

共振器量子電磁力学による原子と光子の相互作用の概念図

2021.347

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新原理コンピュータへの取り組み

予想されていますが，それに向けて効率的な新たなアーキテクチャを生み出すことをめざしています．また，それまでの過程においても量子誤り抑制などを活用し，なるべく近い将来から可能な限り有意義な量子情報処理を行えるよう新たな研究に取り組んでいます．
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（13） R. Asaoka, Y. Tokunaga, R. Kanamoto, H. Goto, K. Koshino,
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（14） K. Koshino, K. Inomata, Z. R. Lin, Y. Tokunaga, T.
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（15） S. Masuda, S. Kono, K. Suzuki, Y. Tokunaga, Y. Nakamura,and K. Koshino: “Nonreciprocal microwave transmission
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99, No. 1, 013816, Jan. 2019.

（左から）徳永  裕己 / 鈴木  泰成 /遠藤  

傑 / 浅岡  類

誤り耐性量子計算を実現するためにはどのようなアーキテクチャにするべきか真剣に考えて研究をするフェーズに入ってきたと考えます．新たな計算機の実現に向けて貢献したい意欲のある方の参入を期待します．

◆問い合わせ先NTT セキュアプラットフォーム研究所
企画担当
E-mail scpflab hco.ntt.co.jp