Outline I. 量子コンピュータの歴史 i. はじまり ii. 近年の急速な発展 Ⅱ. 量子コンピュータとは i. 動作原理 ii. なぜ速いのか？ iii. 量子アルゴリズムまとめ iv. 量子アルゴリズムの応用展望 Ⅲ. この数年の量子コンピュータ i. NISQとは ii. NISQアルゴリズムまとめ iii. NISQアルゴリズムの応用展望 Ⅳ. 世界の動き i. 各国の投資 ii. 民間の投資 iii. エコシステム形成 iv. 各企業の取り組み 2
ハードウェアの種類 量子コンピュータを実現する物理系 l 超電導物質で構成 l 磁束, 電荷, 位相を量子ビットとし て利用 Nakamura et al., Nature 398, 786 (1999) ిಋྔࢠϏοτ ΠΦϯτϥοϓ ΩϟϏςΟ2&% 26 l レーザーによって真空中でイオン を冷却・捕捉したものを量子ビッ トとして利用 l イオンの量子状態をレーザーで制 御する l 共振器に閉じ込められた光と原子 の相互作用を利用 ֓ཁ ॴ ॴ औΈ اۀ l IC の製造と同様の技術で集積化で きる／量子ビット間の相互作用が 強く、高速に量子ゲートを作用さ せることができる l 隣の量子ビット間でしか2量子 ビット操作が出来ない ／デコヒーレンスの排除が困難 l コヒーレンス時間が長い／離れた 量子ビット間で2量子ビット操作が できる／ゲート忠実度が高い l アーキテクチャへ大規模化への課 題が多い l 光子を介して長距離の量子ドット 間交換相互作用を実現する事がで きる／量子通信との自然な連携が できる l 原子・光子を一つの粒子レベルで 操作する必要があり技術的に複雑 である／光子の生成・観測の効率 が低い 他 R. Blatt & D. Wineland, Nature 453, 1008 (2008) S. Deléglise et al., Nature 455, 510 (2008)
ハードウェアの種類 量子コンピュータを実現する物理系 l 単一光子(空間モード，偏光モー ド）を量子ビットとして利用 ޫྔࢠϏοτ ྔࢠυοτ τϙϩδΧϧྔࢠϏοτ l 固体中（半導体量子井戸）に電子 を捕獲し、その電子が作るエネル ギー準位を利用 l マヨラナゼロモード (半導体ナノワイヤ+超電導)を 量子ビットとして利用 ֓ཁ ॴ ॴ औΈ اۀ l コヒーレンス時間が格段に長い／室 温で動作できる／量子通信へ技術を 応用できる l 光子損失によるエラー率が高い ／ 2量子ゲート精度が低い／集積化・ スケールアップが比較的困難 l 半導体技術を大いに利用すること ができる l 2量子ビットゲートの高精度化に課 題がある l エラー耐性が強いコヒーレンス状 態を長時間保持できる l 具体的な操作方法などが不明 J. Carolan et al., Science 349, 711 (2015) T.D. Ladd et al., Nature 464, 45 (2010) S. M. Albrecht et al., Nature 531, 206 (2016) 27
機械学習（HHL） HHLアルゴリズムの応用 機械学習の アルゴリズム 量子アルゴリズム の活用余地 l 線形回帰 l サポートベクターマシン l ニューラルネットワーク l Quantum linear regression l Quantum support vector machine などなど… データ数 N に対して log(N) の時間 で動作? 量子コンピュータにデータを効率的 に転送できる装置 = Quantum Random Access Memory (QRAM) が必要。 G. Wang, Phys. Rev. A. 96, 012335 (2017) P. Rebentrost, Phys. Rev. Lett. 113, 130503 (2017) 59
Long term アルゴリズムの展望 l 今後は、アルゴリズムの更なる改良が見込まれる Ø 1994年にShorのアルゴリズムが出てから一部の研究者によって 25年研究された程度。 Ø 実際HHLアルゴリズムの改良などが行われて来た l ただし、Groverのアルゴリズムは より速くならないことが 証明されている。膨大なデータでないとデータベース検索・最適化 の優位性は低い。 今後の展望 63
エコシステム形成に向けた動き 産官学連携コンソーシアムの立ち上げ Primary R&D goals of QuTech: developing scalable prototypes of quantum computers and quantum internet. In addition, QuTech has a fourth roadmap, Shared Technology Development (STD), led by TNO. These businesses, academic institutions, startups and research organizations are part of the IBM Q Network and putting quantum to use. Quantum Economic Development Consortium (QED-C) aims to support enabling technology R&D: e.g. quantum device components, instrumentation, and performance standards NIST: https://www.nist.gov/news-events/news/2018/09/nist-launches-consortium-support-development-quantum-industry QuTech: https://qutech.nl/roadmaps/ IBM Q: https://www.research.ibm.com/ibm-q/network/ ※ 日本のみ記載 87
推薦資料 ◯日本語 （戦略プロポーザル）みんなの量子コンピューター https://www.jst.go.jp/crds/pdf/2018/SP/CRDS-FY2018-SP-04.pdf ◯ English Focus on Quantum Science and Technology Initiatives Around the World https://iopscience.iop.org/journal/2058- 9565/page/Focus_on_quantum_science_and_technology_initiatives_around_the_world The Coming Quantum Leap in Computing https://www.bcg.com/ja-jp/publications/2018/coming-quantum-leap-computing.aspx The Next Decade in Quantum Computing—and How to Play https://www.bcg.com/ja-jp/publications/2018/next-decade-quantum-computing-how-play.aspx 103
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