[論文レビュー] Quantum Computing in the NISQ era and beyond

John Preskill|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 17

ひとこと要約

この論文は、50〜100量子ビットのデバイスで高いゲート誤り率を示すが、多数体量子物理学の探求やハイブリッド量子古典アルゴリズムのテストが可能な、量子計算における重要な段階であるNISQ（ノイジィー中規模量子）時代を提示する。ノイズにより回路の深さが制限されるものの、NISQデバイスは、複雑な量子系のシミュレーションにおいて、量子優位性への近い道筋を提供する。その進展は、ノイズに強いアルゴリズムと向上したゲート忠実度に依存し、最終的には誤り耐性のある量子計算への道を切り開く。

ABSTRACT

Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) technology will be available in the near future. Quantum computers with 50-100 qubits may be able to perform tasks which surpass the capabilities of today's classical digital computers, but noise in quantum gates will limit the size of quantum circuits that can be executed reliably. NISQ devices will be useful tools for exploring many-body quantum physics, and may have other useful applications, but the 100-qubit quantum computer will not change the world right away --- we should regard it as a significant step toward the more powerful quantum technologies of the future. Quantum technologists should continue to strive for more accurate quantum gates and, eventually, fully fault-tolerant quantum computing.

研究の動機と目的

• NISQ時代を、ノイズが多く、中規模の量子デバイスが特徴である量子計算における転換的段階として定義し、枠組みを提示すること。
• NISQデバイスが特定の量子シミュレーションタスクにおいて、古典コンピュータを上回る可能性を評価すること。
• NISQハードウェアの計算的範囲を拡張するために、ノイズに強い量子アルゴリズムの開発の重要性を強調すること。
• スケーラブルで誤り耐性のある量子計算への道のりを実現するための前提条件として、量子ゲート忠実度と誤り訂正の継続的進歩を提唱すること。
• 研究者や実務家が量子計算の近い将来への影響について現実的な期待をもつ一方で、長期的なビジョンを維持するためのガイダンスを提供すること。

提案手法

• 50〜100の物理的量子ビットと高いゲート誤り率を特徴とする、量子技術開発における明確な段階としてNISQ時代の概念を導入すること。
• 回路の深さを最小限に抑え、古典的最適化を活用することで、ノイズの影響を受けるにもかかわらずNISQデバイスを活用する戦略として、ハイブリッド量子古典アルゴリズム（例：VQE）を提案すること。
• 量子シミュレーションが、量子コンピュータが古典的ハードウェアでは扱いきれないもつれを示す多数体量子系をシミュレートできるという点で、古典的コンピュータを上回る可能性がある主な応用分野であることを強調すること。
• 量子もつれが量子優位性を可能にする根本的資源であり、情報が個々の量子ビットにではなく、非局所的な相関に符号化されることを主張すること。
• 完全な量子誤り訂正がなくても、ノイズ耐性を意識したアルゴリズム設計の重要性を強調し、NISQハードウェアの有用性を最大限に引き出すこと。
• 近い将来の進展と将来的な誤り耐性のある量子計算への道のりの両方にとって、量子ゲート忠実度の向上を継続的に投資すべきであると提唱すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノイズがあるにもかかわらず、NISQデバイスが古典コンピュータでは到達できない計算タスクとは何か？
• RQ2 高いゲート誤り率と限られた量子ビットコherenceの環境下でも、効果的な量子アルゴリズムをどのように設計できるか？
• RQ3 ハイブリッド量子古典アルゴリズムは、近い将来の量子ハードウェアの有用性をどのように拡張するか？
• RQ4 NISQデバイスは、古典的シミュレーションでは到達できない複雑な量子多数体系をどの程度までシミュレートできるか？
• RQ5 NISQから誤り耐性のある量子計算への移行に向けた、主なマイルストーンと技術的要件は何か？

主な発見

• 50〜100量子ビットのNISQデバイスは、特に複雑な量子系のシミュレーションにおいて、古典デジタルコンピュータでは到達できないタスクを実行できる可能性がある。
• 量子ゲートのノイズは、回路の深さと信頼性を制限し、スケーラブルな量子優位性の実現には完全な誤り耐性が不可欠である。
• 量子コンピュータは、自然の物理的プロセス、特に高もつれを示す多数体量子系を効率的にシミュレートするのに特に適している。
• 古典的リソースでもつれ状態を記述する複雑さは指数関数的に増大するため、数100量子ビットの系では古典的シミュレーションが非現実的になる。
• 変分量子固有状態探索器（VQE）のようなハイブリッド量子古典アルゴリズムは、回路の深さを最小限に抑え、古典的最適化を活用することで、近い将来の量子優位性への有望な道筋を提供する。
• ゲート忠実度の向上は、NISQの能力を拡張するだけでなく、将来の誤り耐性のある量子誤り訂正に必要なオーバーヘッドを減らすためにも極めて重要である。