森前智行 基礎物理学研究所講師らの研究グループは、量子計算の結果の正しさを効率的に事後チェックできる方法を開発しました。本研究成果は、今後の量子コンピューターの発展において非常に重要な基盤的技術となると考えられます。
本研究成果は、2018年1月22日に米国の科学誌「Physical Review Letters」オンライン版で公開されました。
研究者からのコメント
量子計算機が正しく動作しているかどうかを古典計算機で効率的にチェックできるか、という問題は「量子計算の検証（verification）」と呼ばれ、現在世界中で活発な研究がなされています。クラウド量子計算という実用的な場面で重要なだけでなく、理論物理学や計算機科学の基礎とも密接に関係するとても面白いテーマです。これまで、量子計算の検証において、計算本体と検証プロセスを分離することはできないだろうと思われていましたが、今回初めて、それが可能であることを示すことができました。
本研究成果のポイント
- 量子コンピューターはノイズに弱いため、量子計算結果の正しさを効率的にチェックする方法が必要不可欠である。
- 量子計算の正しさを計算終了後に事後チェックできる効率的な方法を世界で初めて開発した。
- 遠隔にある量子クラウドの計算の正しさもチェックできるため、今後、安心安全な量子インターネットを実現するうえで基盤となる技術である。
概要
コンピューターの計算結果の正しさのチェックは、私たちが普段使っているコンピューターにおいても内部で自動的に行われている、必要不可欠なプロセスです。量子コンピューターの場合、ノイズに弱いという弱点があるため、計算の正しさのチェックはいっそう重要となりますが、これまで提案されていた方法では、計算本体と計算チェックのプロセスが分離不可能な形になっていたため、計算時間が増大してしまうという問題がありました。
本研究グループは、量子計算の計算本体と計算の正しさのチェックを分離して、チェックを事後に行える効率的な方法を新たに提案しました。量子コンピューターは近い将来、現在の通常のコンピューターではシミュレートできないようなサイズの領域に達するだろうと予想されていますが、そのような場合でも、本研究で得られた新しい方法を適用することにより、通常のコンピューターでも効率的なチェックが可能となると期待されます。
また、さらなる将来、クラウドでの量子計算サービスがより一般化していくと、セキュリティの観点からも、クラウドの量子計算の正しさを利用者が簡単にチェックできるスキームが必要となってきます。この成果は、そのような未来において、安心安全な量子インターネットを実現する上で重要な基盤技術となるものです。
図：今回提案された量子計算結果チェック方法の概要
（１）利用者はクラウド上で量子計算を行い、結果を得る。
（２）計算結果が疑わしい場合は、利用者が証明を要求する。
クラウドからは量子結果の正しさの証明がエンコードされた量子ビットが送られてくるので、利用者はその量子ビットをもとに自身の通常のコンピューターで正しさのチェックができる。
詳しい研究内容について
書誌情報
【DOI】 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.040501
Joseph F. Fitzsimons, Michal Hajdušek, and Tomoyuki Morimae (2018). Post hoc Verification of Quantum Computation. Physical Review Letters. 120(4), 040501.
