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。

本研究旨在利用经典超导电路的一种类型单通量量子（SFQ）电路开发一种在极低温环境下的高效量子纠错方法，以实现使用超导量子位的容错量子计算机的目的。是具体来说，我们将（1）开发在 SFQ 电路中高效运行的纠错算法，（2）创建高效执行算法的 SFQ 电路，以及（3）开发模拟环境以有效评估量子计算机的纠错性能。今年，在①和③方面都取得了进展。我们设计了一种方法，通过将我们于 2021 年提出的在 SFQ 电路上高效运行的量子纠错算法与二值化神经网络相结合，来增强传统算法的纠错性能。我们还设计了一个 SFQ 电路，可以有效地执行二值化神经网络。因此，我们提出了一种具有高量子纠错性能的纠错电路，同时保持了传统纠错电路的高速和低功耗。关于这一结果的论文已提交给一家期刊，目前正在接受同行评审。此外，2022年5月至次年3月，他将在日本学术振兴会青年研究人员海外挑战计划的支持下，前往慕尼黑工业大学留学，并将开发模拟环境来高效评估我研究了量子计算机的纠错性能。特别是，我们开发了一个可以快速模拟称为格子手术的逻辑运算方法的环境，这是2021年提出的纠错算法的目标。我们还提出了一种在实际错误条件下使用晶格手术来减少逻辑运算执行时间的方法。此外，根据该研究项目迄今为止取得的成果，我在 2022 年 9 月 IEEE 量子周期间的研讨会上做了受邀演讲。此外，他还与研讨会的参与者共同撰写了一篇Perspective论文，将其提交给期刊，并在美国物理学会上发表。

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］

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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