[論文レビュー] Quantum computing 40 years later

John Preskill|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 36

ひとこと要約

Preskill は、量子計算の起源、現在の NISQ 時代、そしてスケーラブルな耐故障量子計算（FTQC）の展望を概説し、量子シミュレーションと化学への応用を強調します。

ABSTRACT

Forty years ago, Richard Feynman proposed harnessing quantum physics to build a more powerful kind of computer. Realizing Feynman's vision is one of the grand challenges facing 21st century science and technology. In this article, we'll recall Feynman's contribution that launched the quest for a quantum computer, and assess where the field stands 40 years later.

研究の動機と目的

• フェインマンの元々のビジョンと、それが量子計算へと歴史的に展開してきた過程を要約する。
• 現在の量子ハードウェアの状況と、スケーラブルな耐故障量子計算（FTQC）へのギャップを評価する。
• 特に量子シミュレーションと化学に焦点を当てた、量子計算の潜在的応用を議論する。

提案手法

• ファインマン、マニン、ベニオフ、デュースト、ショアらの基礎的アイデアの歴史的総合。
• 量子ビット（qubit）、テンソル積、および量子回路モデルといった核心的な量子概念の説明。
• NISQ 時代、量子シミュレーション（アナログおよびデジタル）、および誤り訂正を伴う FTQC への道筋の議論。
• 拡張性を促す要因としての精度閾値定理とサーフェスコードの概念への言及。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファインマンの提案から40年が経過した現在の量子計算の状況は？
• RQ2 近期および長期において、NISQ デバイスはどのような役割を果たし、フォールトトレラント量子コンピュータとどう共存するのか？
• RQ3 特に量子シミュレーションと化学分野における、量子計算機の有望な応用は何か？
• RQ4 スケーラブルな量子計算を達成するための主要な課題と要件（例：エラーレート、量子ビット数）は何か？

主な発見

• 量子計算は量子系を量子コンピュータでシミュレートするというファインマンの提案から始まり、古典的なシミュレーションよりも潜在的に優れている点を強調している。
• この分野はNISQ時代へと進展し、GoogleのSycamore のようなデバイスが特定のタスクで量子計算の supremacy を主張した。
• NISQ デバイスとスケーラブルな FTQC の間には大きなギャップが残り、量子誤り訂正の substantial overhead と高影響度の応用には数十万の物理量子ビットが必要となる可能性がある。
• 量子利得は、一般的な NP-hard 最適化問題よりも、量子動力学のシミュレーションや特定の化学/物理問題において最も顕著である。
• アナログおよびデジタル量子シミュレータは、近期の補完的なアプローチを提供し、デジタル量子計算は将来の柔軟性と厳密な普遍性を提供する。