東北大学
学際科学フロンティア研究所

量子コンピュータの内部では、量子ゲートといった量子操作により、非常に繊細な量子状態が制御されています。理想的には、量子コンピュータは従来のコンピュータでは膨大な時間を要する複雑な計算を、飛躍的に高速に解くことが可能とされています。

しかし、実際の量子ハードウェアでは、装置の精度や周囲環境からのノイズの影響から、理想的な動作からずれが生じることが少なくありません。従って、信頼性の高い量子コンピュータを実現するためには、その中で実際にどのような処理が行われているのかを正確に把握する手法が不可欠です。
そのための標準的な方法として「量子プロセストモグラフィー（Quantum Process Tomography: QPT）」が挙げられます。ですが、従来のQPTでは、量子ビットの数が増えるにつれて、必要な測定回数や計算量が急激に増大し、システムが大規模になるほど実行が困難になるという課題がありました。
この課題に対し、東北大学、奈良先端科学技術大学院大学（NAIST）、およびベトナム国家大学ホーチミン市校・情報工学大学の研究チームは、新しい枠組み「Compilation-based Quantum Process Tomography（CQPT）」を提案しました。

CQPTの基本的な考え方は比較的シンプルです。既知の量子状態を入力として、未知の量子操作に続く形で学習可能なモデルを適用させ、適用後の量子状態を最終出力とします。その後、最終出力が元の入力の状態へどの程度戻っているのかを評価します。この「戻り具合」を指標にモデルを最適化することで、逆算的に未知であった量子操作がどのように行われていたかを特定することが可能になります。本手法の最大の特徴は、入力される状態一つに対し、わずか1回の測定結果のみを必要とするため、極めて簡単に最適化が行えるよう設計されている点にあります。

研究グループは、相補的な2つの手法からなるCQPTを開発しました。一方はクラウス演算子（Kraus operators）に基づく方法で、もう一方はチョイ行列（Choi matrix）に基づく方法です。これら2つの手法を組み合わせることで、現代の量子デバイスにおける広範な量子操作や、ノイズを伴うプロセスへの対応が可能となりました。
 

 

図1：Compilation-based Quantum Process Tomography（CQPT）の概要。左図は、本手法の主要な概念を示しています。未知の量子操作により入力状態ρ_inが出力状態ρ_outへ変換され、それをCQPTは学習可能な「コンパイラ」を用い、最終状態ρ_finalへと戻す学習を行います。右図は、ユニタリまたは準ユニタリ過程向けのクラウス形式と、一般的なノイズ過程向けのチョイ行列形式という二つの実装例を示しています。
©Le Bin Ho et al.

 

「量子計算や量子センシングの将来において、量子操作を特定するための効率的で拡張可能な手法は極めて重要です」と、Le Bin Ho博士は述べています。「量子ゲートや回路が正しく動作しているかの検証、ハードウェア・エラーの特定、デバイスの較正、そして量子誤り訂正の精度向上のために、このような手法が求められています。」

Le博士は、CQPTが従来の量子プロセストモグラフィーに代わる実用的な選択肢になると考えています。特に、測定回数や計算時間が指数関数的に増大し、フル・トモグラフィが困難となる大規模システムにおいて、その効果が期待されます。

本研究では、厳密な理論解析および数値シミュレーションにより、CQPTの実現可能性が示されました。CQPTは、従来の量子プロセストモグラフィーに代わる実用的な選択肢となる可能性があり、特に大規模量子系において有望です。今後は、実際の実験環境での実装に向けた検証や、ハードウェア環境に適した改良、およびノイズに対する強さの向上に注力する予定です。

 

【論文情報】
タイトル： Advancing Quantum Process Tomography through Quantum Compilation
著者: Huynh Le Dan Linh, Vu Tuan Hai, Le Bin Ho
掲載誌: Advanced Quantum Technologies
DOI: 10.1002/qute.202500494

 

プレスリリース
東北大学
https://www.tohoku.ac.jp/en/press/whats_going_on_inside_quantum_computers_process_tomography.html