森前智行 基礎物理学研究所講師、藤井啓祐 理学研究科特定准教授、小林弘忠 国立情報学研究所特任研究員、西村治道 名古屋大学准教授、玉手修平 東京大学特任助教、谷誠一郎 日本電信電話株式会社上席特別研究員らの研究グループは、実質的に1量子ビットしか使えないような「弱い」量子コンピューターでも、ある場面では古典コンピューターより「強い」ことを、理論的に証明しました。
本研究成果は、日本時間2018年5月18日に米国物理学会の学術誌「Physical Review Letters」にオンライン掲載されました。
研究者からのコメント
現在、世界中で多くの研究者が量子スプレマシーの実現にむけて研究を行っています。本研究は、それらの理論的基盤を整備するものであり、今後の量子計算の理論的、実験的研究の発展に大きく寄与すると期待できます。また、量子スプレマシーの研究は、単に古典に対する優位性を示すだけでなく、有用な量子アルゴリズムの開発につながることも目指しています。one-clean qubitモデルを使った高速な量子アルゴリズムを開発するのは、今後の重要な課題です。
本研究成果のポイント
- 実質的に1量子ビットしか使えない「弱い」量子コンピューターが、古典コンピューターよりも「強い」のかどうか不明であった。
- そのような弱い量子コンピューターが、ある場面では古典コンピューターより高速であることを計算量理論的基盤に基づいて証明した。
- 現在、世界中で進んでいる量子スプレマシー研究の理論的基盤を整備する結果であり、当該分野の研究をさらに加速することが期待できる。
概要
大量の量子ビットを自由自在に使用し、任意の量子アルゴリズムを走らせ、完全にエラー耐性のある巨大な量子コンピューターを実現することは量子計算の研究者らの究極のゴールですが、それはまだ遠い未来のことかもしれません。そこで、近い将来に実現できる技術のみで作られる「弱い」量子コンピューターでも、古典コンピューターより「強い」ことを示す理論的・実験的研究が注目を集めています。
本研究グループは、実質的に1量子ビットしか使えないような「弱い」量子コンピューターでも、ある場面においては、古典コンピューターより「強い」ことを、理論的に証明しました。また、今回発見した手法は、他のタイプの弱い量子計算モデルにも応用することができ、それらのモデルについても、従来よりも強固な計算量理論的基盤で古典コンピューターに対する優位性（量子スプレマシー）を証明しなおすことにも成功しました。
詳しい研究内容について
書誌情報
【DOI】 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.200502
Keisuke Fujii, Hirotada Kobayashi, Tomoyuki Morimae, Harumichi Nishimura, Shuhei Tamate, Seiichiro Tani (2018). Impossibility of Classically Simulating One-Clean-Qubit Model with Multiplicative Error. Physical Review Letters, 120(20), 200502.
