未来の量子計算機は何をめざすべきか？ ―実用的インパクトのある量子優位性に向けて―

発表のポイント

物性物理学の量子シミュレーションに必要とされる計算リソースに関する解析・試算を行い、量子計算機が古典計算機（スーパーコンピュータ）を凌駕する「量子優位性」の最小条件を、世界で初めて明らかにした。
量子化学や暗号解読といった分野に比べ、物性物理学への応用は、計算時間・量子ビット数の観点で1桁以上も少ないリソースで量子優位性を達成可能であることを示した。
本研究成果は、今後の量子計算機の研究開発に対して、中長期的な設計目標を示す役割を果たすものと期待される。また、本研究で用いられた解析手法・アルゴリズムは、材料科学・量子化学などの問題にも同様に応用可能であることから、理論的・基礎科学的なインパクトだけでなく、産業応用への知見も大きいものと期待される。



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概要
　東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻の吉岡信行助教、東京大学大学院理学系研究科量子ソフトウェア寄附講座の大久保毅特任准教授、日本電信電話株式会社コンピュータ＆データサイエンス研究所の鈴木泰成准特別研究員、小泉勇樹インターン生（研究当時）、および大阪大学量子情報・量子生命研究センターの水上渉教授らによる研究グループは、量子誤り訂正（注1）機能を備えた量子計算機が、古典計算機を凌駕する、すなわち量子優位性（注2）を達成するための条件を明らかにしました。
　計算量理論（注3）による定性的な解析によれば、量子ダイナミクスや暗号解読といった問題において、量子　計算機は古典計算機よりも高速に問題を解くことができます。一方で、必要とされる計算時間や計算リソースがどの程度かという定量的な観点からは、現実的な範囲で達成可能な量子優位性があるのか、不透明な状況にありました。本研究では、最先端の古典・量子アルゴリズム（図1）を精緻に解析することで、物性物理学（注4）における量子優位性の達成に要求される計算リソースが、他の応用先と比べて格段に小さいことを示しました。本研究成果は、未来の量子計算機がめざすべきターゲットを提示しており、世界中の研究開発の指針となることが予想されます。また、本研究で用いられた解析手法は極めて一般的であることから、材料科学・高エネルギー物理・微分方程式の求解といった応用にも波及することが期待されます。