超電導回路を用いたスケーラブルな量子誤り訂正手法の研究

利用超导电路的可扩展量子纠错方法研究

• 批准号: 21J10882
• 负责人: 上野 洋典
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J10882/
• 关键词: 量子計算機; 量子誤り訂正; 表面符号; 格子手術; SFQ回路

本研究は超電導量子ビットを用いた誤り耐性量子計算機の実現に向け、超電導古典回路の一種であるSingle Flux Quantum (SFQ) 回路を用いて極低温環境で効率的に量子誤り訂正を行う手法の開発を目的とする。特に①SFQ回路で効率的に動作する誤り訂正アルゴリズムの開発、②そのアルゴリズムを効率的に実行するSFQ回路の作成、③量子計算機の誤り訂正性能を効率的に評価するシミュレーション環境の開発を行う。本年度は①および③についてそれぞれ進展があった。2021年度までに提案した、SFQ回路上で効率的に動作する量子誤り訂正アルゴリズムを、2値化ニューラルネットワークと組み合わせることで、従来のアルゴリズムの誤り訂正性能を強化する手法を考案した。また、2値化ニューラルネットワークを効率的に実行するSFQ回路を設計した。これにより、従来の誤り訂正回路の持つ高速・低消費電力性を維持しつつ、高い量子誤り訂正性能を持つ誤り訂正回路を提案した。この成果についての論文を論文誌に投稿し、現在査読対応中である。また、2022年5月から翌年3月まで、日本学術振興会若手研究者海外挑戦プログラムの支援のもとミュンヘン工科大学に留学し、量子計算機の誤り訂正性能を効率的に評価するシミュレーション環境の開発に取り組んだ。特に、2021年度に提案した誤り訂正アルゴリズムが対象とする格子手術と呼ばれる論理演算手法を高速にシミュレートする環境を開発した。また、現実的なエラー状況下において格子手術を用いた論理演算の実行時間を削減する手法を提案した。さらに、本研究課題におけるこれまでの成果に基づいて、2022年9月にIEEE Quantum week内のワークショップで招待講演を行った。また、同ワークショップの参加者と共同でPerspective論文を執筆し論文誌への投稿およびアメリカ物理学会での発表を行った。

这项研究旨在使用超导量子台实现抗错误的量子计算机，并使用单个通量量子（SFQ）电路（一种类型的超导向经典电路）开发一种在极高低温的环境中有效量子误差校正的方法。特别是，我们将开发一种错误校正算法，该算法通过SFQ电路有效地运行，2）创建一个有效执行算法的SFQ电路，以及3）开发一个模拟环境，该环境有效地评估了量子计算机的误差校正性能。今年，在①和③中取得了进展。我们已经设计了一种方法，可以通过将有效在SFQ电路上运行的量子误差校正算法结合使用，以增强常规算法的误差校正性能，我们提出了2021财政年度的二级神经网络。此外，SFQ电路旨在有效执行二进制神经网络。这提出了一个具有高量子误差校正性能的误差校正电路，同时保持了传统误差校正电路的高速和低功耗。有关这一发现的论文已提交给日记，目前正在同行评审。此外，从2022年5月到次年3月，他在慕尼黑大学的国外学习，在日本科学促进学会的海外年轻研究人员海外挑战计划的支持下，他致力于开发一个模拟环境，以有效地评估量子计算机的错误校正性能。特别是，我们开发了一个迅速模拟称为晶格手术的逻辑操作方法的环境，该方法旨在用于2021年提出的误差校正算法。我们还提出了一种减少在现实误差情况下使用晶格手术进行逻辑手术的时间。此外，根据到目前为止该研究主题的结果，在2022年9月的IEEE量子周内的一次研讨会上进行了邀请的演讲。他还与研讨会的参与者合作撰写了一份观点论文，并将其提交给期刊并在美国物理学协会中介绍。

项目成果

ミュンヘン工科大学(ドイツ)

慕尼黑工业大学（德国）

2021年度研究会推薦博士論文速報 ［量子ソフトウェア研究会］

2021年课题组推荐博士论文报告【量子软件课题组】

QECOOL: On-Line Quantum Error Correction with a Superconducting Decoder for Surface Code

QECOOL：使用超导解码器对表面代码进行在线量子纠错

• DOI: 10.1109/dac18074.2021.9586326
• 发表时间: 2021
• 期刊: Proceedings of 58th ACM/IEEE Design Automation Conference (DAC)
• 作者: Ueno Yosuke;Kondo Masaaki;Tanaka Masamitsu;Suzuki Yasunari;Tabuchi Yutaka
• 通讯作者: Tabuchi Yutaka

Real-Time Decoding for Fault-Tolerant Quantum Computing: Towards higher decoding speed and lower communication latency

容错量子计算的实时解码：实现更高的解码速度和更低的通信延迟

• 发表时间: 2023
• 作者: Francesco Battistel;Muhammad Usman;Christopher Chamberland;Swamit Tannu;Ramon Overwater;Fabio Sebastiano;Yosuke Ueno;Luka Skoric;Jordy Gloudemans;Damaz de Jong;Wouter Vlothuizen;Jules van Oven;Cornelis Christiaan Bultink,
• 通讯作者: Cornelis Christiaan Bultink,

論理量子ビット間での演算を可能にする極低温環境での量子誤り訂正手法を世界で初めて開発

全球首个在极低温环境下开发的量子纠错方法，可实现逻辑量子位之间的运算