世界初、量子コンピュータを利用した屋外多数同時接続実験に成功

図2 本アルゴリズムを用いた上り回線非直交多元接続シミュレーションの結果

量子とデジタルをハイブリッドしたアルゴリズムの開発と実証

2024年7月25日

国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT）

ポイント

■ 量子コンピュータと古典コンピュータをハイブリッドした新たな実用的な演算手法を開発、屋外実験で実証

■ 次世代移動通信システムにおける同時接続数の増加で課題となる組合せ最適化問題に適用し、従来手法と比較して計算時間を約10分の1に短縮

■ 次世代移動通信システムにおける新たな無線通信信号処理としての活用へ

　国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT（エヌアイシーティー）、理事長: 徳田 英幸）は、アニーリング型の量子コンピュータ（以下「量子アニーリングマシン」）と古典コンピュータとを併用する新たな演算手法（量子とデジタルをハイブリッドしたアルゴリズム。以下「本アルゴリズム」）を開発し、次世代移動通信システムにおける活用が求められる非直交多元接続技術の信号分離処理に適用した無線通信実験に成功しました。

　現在の第5世代移動通信システム（5G）では、同一周波数・同一時間を使用して、基地局アンテナ1本当たり1台の端末局と通信を行っています。一方、次世代移動通信システムでは、5Gと比較して同時接続数を10倍以上とすることが期待されています。本アルゴリズムを用いることで、基地局アンテナ1本当たり少なくとも7台まで端末局との同時接続が行えることをシミュレーションで確認するとともに、4台との同時接続を屋外実験で実証しました。量子アニーリングマシンを利用したアルゴリズムを用いて、実フィールドにおける多数同時接続技術（非直交多元接続技術）のオンラインでの実証を行ったのは世界初です。

　非直交多元接続技術では、数万通り以上の大規模な組合せ最適化問題を解く必要がありますが、本アルゴリズムを適用することで、従来手法と比較して信号分離処理に要する計算時間を約10分の1に短縮できることを示しました。本アルゴリズムが実用化されれば、次世代移動通信システムにおいて、これまで膨大な計算量が障壁となっていた組合せ最適化問題（大規模なビームフォーミング等）を、短時間で行えることが期待されます。

背景

　次世代移動通信システムでは、現在の第5世代移動通信システム（5G）と比較して、同時接続数を10倍以上とすることが期待されています。これを実現する技術の一つとして注目されているのが、非直交多元接続技術です。5Gでは同一周波数・同一時間を使用できる基地局アンテナ1本当たりの端末局数は1台ですが、この技術を用いることで複数台にすることが可能になります。ただし、基地局では複数端末局から送信された信号を重畳して受信することから、端末局ごとに受信信号を分離する処理（信号分離処理）が必要になり、端末局数が増えるにつれて受信信号の組合せの数が指数関数的に増加するため、信号分離処理に要する計算量が増え、時間が掛かってしまいます。