量⼦コンピューターの先端動向と未来
サイバーセキュリティシンポジウム2023
科学技術振興機構 研究開発戦略センター フェロー嶋⽥ 義皓

はじめに…
しまだよしあき嶋⽥ 義皓

科学技術振興機構（JST）
研究開発戦略センター（CRDS） フェロー
略歴
東京⼤学⼤学院⼯学系研究科物理⼯学専攻博⼠課程修了。博⼠（⼯学、公共政策分析）。
専⾨分野は、物性物理、科学コミュニケーション、ICT、科学政策。
⽇本科学未来館で科学コミュニケーターとして展⽰解説や実演・展⽰制作に、JST戦略研究推進部でICT分野の研究推進業務に従事後、2017年より現職。著書に『量⼦コンピューティング 基本アルゴリズムから量⼦機械学習まで』（オーム社）。

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2

第２次量⼦⾰命
次なる”半導体級”イノベーションへの期待
量⼦ICT社会量⼦センサー
量⼦暗号・量⼦通信

2nd 量⼦⾰命

量⼦コンピューター

相補性
猫状態

量⼦⼒学による情報の制御

量⼦テレポーテーション

量⼦シミュレーション

ホログラフィー原理
複製不可能定理量⼦もつれ

1st 量⼦⾰命
量⼦⼒学による物質・エネルギーのトンネル効果制御
エネルギー準位

不確定性原理

バンド構造

EPR相関

ベル不等式
マクロ量⼦現象

量⼦マテリアル量⼦相制御トポロジカル物質

量⼦⼲渉

半導体技術
光通信
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ICT
3

量⼦ICT
量⼦⼒学の性質を情報処理に役⽴てる
量⼦センシング

量⼦暗号・通信

量⼦コンピューター

量⼦⼲渉・量⼦もつれを使ってセンサーを⾼精度化・⾼感度化

不確定性原理・量⼦もつれを使って通信・ネットワークの安全性を向上

量⼦⼲渉・量⼦もつれを使ってコンピューターを⾼速化・省エネ化©2023 CRDS

4

量⼦未来社会ビジョン
従来ICTとの融合（ハイブリッド）
量⼦は量⼦のみで成⽴するのではない。制御・運⽤・材料・設計など様々な最先端技術が必須。

内閣府「量⼦未来社会ビジョン」（2022/4/22)©2023 CRDS

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ビットと量⼦ビット
コンピュータ量⼦コンピュータビット

量⼦ビットビット

論理ゲート

ゲート

量⼦論理ゲート• 0 と 1の重ね合わせ状態• コピーは不可能• 量⼦もつれ利⽤可能+! !+ # !=1(⟩ = + 0⟩ + - 1 =-• 0 または 1• コピーが可能! ∈ {0,1}©2023 CRDS

A. Trabesinger, Nature 543, S2–S3 (2017)6量⼦計算＝指数関数的に⼤きな⾏列の⾼効率の操作
量⼦回路 ＝ 量⼦論理ゲートの列 = 2N次元の⼤きな⾏列

３量⼦ビット＝23 次元ベクトル©2023 CRDS

7

量⼦ビットの実現系
候補の物理系は多数あるが、いずれも「決め⼿」に⽋く
超伝導回路、イオントラップ、シリコン量⼦ドット、光、冷却原⼦、ダイヤモンドNVC…

超伝導回路

イオントラップ|0⟩|1⟩+q-q-q+q|0⟩|1⟩(Courtesy: Christopher Monroe)©2023 CRDS

8

量⼦コンピュータの実現系いろいろ©2023 CRDS

CRDS戦略プロポーザル「みんなの量⼦コンピューター〜情報・数理・電⼦⼯学と拓く新しい量⼦アプリ〜」 (2018)9量⼦コンピュータHWベンダ⽅式

北⽶

欧州

アジア・太平洋

超伝導IBM!, Google!, Rigetti Computing!, qci!,
Bleximo!, D-wave", Nord Quantique"

QuTech#, QuantWare#Alibaba$, 本源量⼦（OriginQuantum）$, 富⼠通（w/理研）%

イオントラップ

IonQ!, Quantinuum（旧Honeywell）!

Oxford Ionics&, Universal
Quantum&, AQT'

启科量⼦（Qudoor）$

冷却原⼦

Infeqtion（旧ColdQuanta）!, Atom
Computing!, QuEra Computing!

Pasqal(, Planqc)

半導体

EeroQ!, Photonic Inc"Intel（w/QuTech）#,
Quantum Motion&

Silicon Quantum Computing*,⽇⽴製作所%

光

PsiQuantum!, Xanadu",

ORCA&, QuiX Quantum#

TuringQ$

ダイヤモンドQuantum Brilliance*
量旋科技（SpinQ）$NMR
マヨラナ

Microsoft!, Nokia/BellLabs!
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10

量⼦版ムーアの法則
10000000

1.5年で２倍量⼦ビット数

1000000

誤り耐性
量⼦コンピュータ

100000

３年で２倍

10000

NISQ

1000

６年で２倍

100

イオントラップ⽅式

10超伝導回路⽅式

11990
0.1
19 90

2000
20 00

2010

2020

20 10

20 20

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2030
20 30

2040
20 40

2050
20 50

11

NISQ量⼦コンピューター
フルの量⼦コンピュータはまだ⼿にはらない。しかし…

Noisy

Intermediate-Scale

Quantum

ノイズあり

中規模スケールの量⼦デバイス

誤り訂正なし。⾼エラー率。

50〜100量⼦ビット程度

量⼦効果を使うデバイス

シミュレーションが難しい

何かには使えそう

50量⼦ビット程度でもスパコン必要限られたHW資源を活かす
知恵・ソフトウェアが重要
量⼦化学計算

表裏⼀体

量⼦系

機械学習

最適化⾦融M. Reiher et al. Elucidating reaction mechanisms on quantum
computers, PNAS 114 (29), 7555-7560 (2017).

F. Arute et al. Quantum supremacy using a programmablesuperconducting processor, Nature 574, 505–510 (2019).

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各社ロードマップ
企業⽅式

IBM

超伝導

Google超伝導

Rigetti

超伝導

本源量⼦

超伝導

富⼠通

超伝導

IonQ

イオントラップ

ColdQuanta

冷却原⼦

Pasqal

冷却原⼦

QuEra

冷却原⼦

Silicon
Quantum

Si量⼦
ドット

物理量⼦ビット
論理量⼦ビット

ʻ21

ʻ22

ʻ23

ʻ24

ʻ25

127

433

1121

1386

4158

ʻ26

ʻ27

ʻ28

53

ʻ29

ʻ31

ʻ32

1M

80

1K

24144

4K
1024

10K

1M

100>100
11ʻ30>1001K>1K3232K
2910035642563841024

1K

10064641024

10K

101M100©2023 CRDS

13スケーラビリティ問題（NISQをそのまま⼤きくしてもダメ）
10量⼦ビット量⼦回路の深さ（ステップ数） 10

結果の忠実度(0.99)100 = 36.6%
結果の忠実度を固定して考えると量⼦ビット数と回路深さはトレードオフ

1量⼦ビットゲート忠実度 = 99%（エラー率 = 1%）

20量⼦ビット×深さ55量⼦ビット×深さ20©2023 CRDS

14

NISQマシンのベンチマーク
IonQ Aria

IBM Guadalupe

Quantinuum H1

T. Lubinski et. al., Application-Oriented Performance Benchmarks for Quantum Computing, arXiv:2110.03137©2023 CRDS

15

量⼦ビット数

量⼦コンピュータの性能とシミュレーション技術の向上

10000

テンソル
ランダム量⼦回路
ネットワーク

2048-bit素因数分解（Shor）

シミュレータ39量⼦ビット（QV=239≒0.5T）
富⼠通 A64FX

100

シミュレータ5053量⼦ビット
Google Sycamore
実機

振幅増幅

FeMoco量⼦化学計算（QPE）

1000
100量⼦ビット
Sunway TaihuLight

位相推定

状態ベクトル量⼦回路の複雑度（〜深さ）

20量⼦ビット（QV=220≒1M）
IonQ Aria
実機©2023 CRDS

16

量⼦誤り訂正符号
量⼦ビットに冗⻑性をもたせ、エラーを検出・訂正する
古典のハミング符号と同じような考え⽅だが、量⼦コンピュータ特有の事情の考慮が必要
特有の事情
1.

ビット反転エラーに加えて位相反転エラーが存在

2.

任意の量⼦状態のコピペは不可（No-Cloning定理）

3.

計算実⾏中のレジスタを護る必要がある（符号化されたまま演算）

4. エラーの有無を確認する測定操作により量⼦ビットの重ね合わせ状態が壊れる
5.

エラー検出・訂正に必要なゲート操作も⾼い確率で誤る©2023 CRDS

17パリティチェック
エラーそのものを測定せず、パリティ測定結果からエラー位置を推定
補助ビットP1, P2にQ1-Q2, Q2-Q3のパリティ値をCNOTゲートで書き込む

Q1〜3の状態が|0⟩か|1⟩かの情報を使わずにP1, P2の測定結果からエラーの位置が推定できる

Q1Q2Q3

P1P2|0⟩|0⟩|0⟩|0⟩|0⟩|1⟩|1⟩|1⟩|0⟩|0⟩|1⟩|0⟩|0⟩|1⟩|0⟩P2|0⟩|1⟩|1⟩|1⟩|0⟩

補助量⼦ビット|0⟩|1⟩|0⟩|1⟩|1⟩|1⟩|0⟩|1⟩|1⟩|1⟩|0⟩|0⟩|1⟩|0⟩|1⟩|1⟩|1⟩|0⟩|0⟩|1⟩

データ量⼦ビット
Q2Q1P1Q3©2023 CRDS

→ エラーなし→ Q1にエラー→ Q2にエラー→ Q3にエラー

エラー位置の推定問題＝最⼩重み完全マッチング問題（MWPM）（古典多項式アルゴリズムが存在）18

量⼦誤り訂正の実験検証[[n, k, d]]n:物理ビット数、k:論理ビット数、d:符号⻑
（(d - 1) / 2の誤りを訂正できる）

表⾯符号[[9, 1, 3]]-[[25, 1, 5]] @17〜49量⼦ビット （反復符号 [3, 1, 3]-[25, 1, 25]）

Google Quantum AI. Suppressing quantum errors by scaling a surface code logical qubit, arXiv:2207.06431©2023 CRDS

19

量⼦誤り訂正符号によるオーバーヘッド
2048bitの数の素因数分解（最新の結果）12000

論理量⼦ビットx10000

誤り訂正（表⾯符号、d＝56）
量⼦ビットのエラー率0.2%

誤り訂正（表⾯符号、d＝27）
量⼦ビットのエラー率0.1%

魔法状態蒸留（⾮クリフォード群ゲートのため）魔法状態蒸留（3500量⼦ビット）（上記量⼦ビット数に含まれている）

x8

実⾏効率を鑑みてやや冗⻑

x1.25

量⼦ビットの配線

x5

デバイスの歩留まり

6,000,000,00014000

回路レベル〜アルゴリズムレベルの⼯夫••••

物理量⼦ビット

R. Van Meter, C. Horsman, “A blueprint for building a quantumcomputer”, Comm. of the ACM 56, 84 (2013).
©2023 CRDS

Approximate encoded permutations → 和の改善
Windowed arithmetic → 積、指数化の改善
AutoCCZ magic state → 時空間レイアウト改善
Short discrete logarithm → 量⼦ビット数削減

20,000,000
C. Gidney, M. Ekerå, “How to factor 2048 bit RSA
integers in 8 hours using 20 million noisy qubits”,
Quantum 5, 433 (2021).

20量⼦コンピュータの優位性
素因数分解や量⼦化学計算は量⼦コンピュータにとっても難しい問題
物理量⼦ビット数
102103104

105106107108

サンプリング [1]

物性物理 [2]量⼦化学 [3]素因数分解 [4]具体的タスク

60ビット
ランダム量⼦回路(忠実度10%)2次元J1-J2 Hハイゼン
ベルグモデル(10x10格⼦)

FeMocoの基底状態（精度1kcal/mol）

2048ビット整数の素因数分解（忠実度27%）量⼦ビット数2.5 x 104

5 x 105

4 x 106

2 x 107

実⾏時間

0.25 sec

14 Hours

4days

8 hours[1] C. Gidney, Estimating the Fault Tolerant Cost of Classically Intractable Quantum Computations, Talks at Simon Institute (Feb. 27, 2020)[2] N. Yoshioka et. al., Hunting for quantum-classical crossover in condensed matter problems, arXiv:2210.14109 (2022).
[3] M. Reiher et al., Elucidating reaction mechanisms on quantum computers, PNAS 114 (29), 7555-7560 (2017).
[4] C. Gidney and M. Ekera, How to factor 2048 bit RSA integers in 8 hours using 20 million noisy qubits, Quantum 5, 433 (2021).

©2023 CRDS

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まとめ・今後の展望
量⼦コンピュータ実現／開発競争は⼯学（エンジニアリング）フェーズに突⼊
1E+102600000
1100
6200

1E+09100000000

物理量⼦ビット数

10000000
1000000

2048ビットの素因数分解に必要なリソース⾒積もり

850
170
5.9︖

・年は論⽂の発表年
・バブルの⼤きさは計算コスト（単位︓M qubitdays）ソフトウェア課題• アルゴリズムの改善• 量⼦回路レベルの改善（誤り訂正含む）• 特性評価・検証・シミュレーション（QCVV）• MWPMの⾼速解法（サイクル1μsの達成）

10000010000

ロードマップ1000

ハードウェア課題• 集積化と⾼忠実度の同時達成• 量⼦誤り訂正の実装• 配線数問題の解決（量⼦版レント則︖）• 量⼦通信と分散処理（量⼦版アムダール則︖）

100
10
1
1990

イオントラップ
超伝導
2000

2010

2020

2030
©2023 CRDS

2040

2050

22