A Study on Effective Techniques for Designing Quantum Circuits
2023年度研究会推薦博士論文速報
［量子ソフトウェア研究会］
松尾 惇士
（日本アイ・ビー・エム（株） 研究員）
邦訳：量子回路の効果的な設計技術に関する研究
■キーワード
量子コンピュータ／量子回路設計／変分量子アルゴリズム
【背景】量子計算を行うためには量子回路設計と呼ばれる処理が必要
【問題】実際の実機のさまざまな制約を考慮した量子回路設計の必要性
【貢献】効果的な量子回路設計について包括的な研究成果
量子コンピューティングの分野は近年著しい進歩を遂げています．この進歩は，量子ハードウェアとアルゴリズムの両方の進展によって推進されています．量子コンピュータは量子力学の法則を利用して，従来のコンピュータに比べて指数関数的な速度向上を実現する可能性があります．ショアのアルゴリズムやグローバーのアルゴリズムのようなアルゴリズムはその実用性を示していますが，現在の量子コンピュータは依然としてコヒーレンス時間，量子ビットの数，量子ビット間の接続性といった制約に直面しています．
重大な制約の1つは限られたコヒーレンス時間であり，これが量子計算の精度に影響を与え，スケーラビリティを妨げています．ノイズや環境要因が量子ビットの量子特性を乱し，計算エラーを引き起こす可能性があります．もう1つの課題は量子ビット間の接続性の制限です．現在の量子コンピュータは隣接する量子ビット間でしか操作を行うことができず，離れた量子ビット間での操作を行うためには追加のSWAPゲートを使用する必要があります．SWAPゲートの数を最小限に抑えることは，量子回路の効率と精度に影響する複雑な最適化問題です．
これらの課題を克服するためには，プログラム回路をハードウェアで実行可能な回路に変換する際に，追加のSWAPゲートを最小限に抑える効率的な量子回路設計手法が必要です．また，量子回路設計手法には，量子ゲートを1量子ビットまたは2量子ビットゲートに分解し，離れた量子ビット間の操作にはSWAPゲートを挿入し，プログラムの量子ビットを物理的な量子ビットにマッピングすることも含まれます．
本研究では，複数量子ビットゲートを分解およびマッピングするための新しい手法を提案しています．さらに，SAT（Satisfiability problem）ベースのアプローチを使用して，可換なゲートの効果的な初期マッピングを見つける手法も提案しています．実験結果は，これらのアプローチが量子ゲートの数を削減する効果的な方法であることを示しています．
さらに，本研究では，ノイズの多い量子コンピュータの現状とそれを効果的に利用するための取り組みについても議論しています．変分量子アルゴリズム（VQA）は古典計算と量子計算を組み合わせたもので，量子部分はパラメータ化された量子回路（PQC）を使用し，古典部分はそのパラメータを最適化します．変分量子固有値解法（VQE）アルゴリズムは，ハミルトニアンの最小固有値を見つけるために設計されたVQAの一種であり，最適化問題に応用されています．問題に特化したPQCを設計し，問題の制約を組み込むことで，最新のPQCと比較して収束速度が向上することが示されています．
結論として，本論文は量子デバイスの可能性を活用するための量子回路設計の分野において重要な貢献をしています．本論文は量子回路設計の重要な側面をカバーする3つの研究を提示しており，これらの研究結果を組み合わせることで，量子回路設計の全体的な性能をさらに向上させることができます．これらの研究は量子コンピューティングのさらなる進展と応用の基盤となり，科学研究や産業応用を含む幅広い分野で量子コンピューティングの未来を切り開くことが期待されます．
（2024年5月30日受付）
（2024年8月15日note公開）
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取得年月：2023年9月
学位種別：博士（工学）
大学：立命館大学
正会員
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推薦文［コンピュータサイエンス領域］量子ソフトウェア研究会
量子コンピューター上でアルゴリズムを実行する際，通常そのままでは実行できず，実際の実機の制約を考慮して量子回路設計と呼ばれる処理を行う必要がある．量子回路設計は量子コンピューターを活用するために重要な分野であり，本研究では効果的な量子回路設計について包括的な研究を行っている．
研究生活 次世代のコンピュータである量子コンピュータに大学生のころから興味があり，ぜひ研究したいと思い研究テーマを決めました．
私は社会人博士として会社で働きながら博士号の取得に挑戦しました．仕事と学業の両立はやはり大変で，業務後や休日に博士課程の研究をやる必要があります．今まで通り普通に生活しているとずるずると時間ばかり経ってしまいます．私の場合，それまで趣味に使っていた時間を減らして，意識的に時間を作るように注意していました．また，一人で悩みすぎず，同じような仲間や友人に相談しつつ取り組んでいくのもいいと思います．