[論文レビュー] Quantum Internet: from Communication to Distributed Computing!

Marcello Caleffi, Angela Sara Cacciapuoti+1 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 13被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、個々の量子コンピュータのキュービット制限を克服するスケーラブルなソリューションとして、もつれと量子もつれ送信を活用した量子インターネットを提案している。飛行キュービットともつれ送信を活用するネットワークを通じて複数の量子デバイスを接続することで、孤立したデバイスが提供できるものよりも指数的スピードアップを実現する分散量子計算が可能になる。

ABSTRACT

In this invited paper, the authors discuss the exponential computing speed-up achievable by interconnecting quantum computers through a quantum internet. They also identify key future research challenges and open problems for quantum internet design and deployment.

研究の動機と目的

• 現在の量子コンピュータが数10キュービットのノイズが多く、フェイルセーフでないキュービットに制限されているというスケーラビリティの課題に対処する。
• 個々の量子プロセッサの物理的およびコherーント制約を、量子ネットワークを介した複数デバイスの接続によって克服する。
• 大規模なフェイルセーフ量子チップが登場する前でさえも、量子優位性を達成する道筋として、分散量子計算を可能にする。
• 量子鍵配送（例：QKD）を目的とした量子通信から、一般用途の量子計算を支援する包括的な量子インターネットへのパラダイムシフトを実現する。
• もつれ送信やスワップ操作に伴うオーバーヘッドを管理するなど、量子ネットワーク設計における根本的課題を特定し、それらを解決する。

提案手法

• もつれと量子もつれ送信を活用して、遠隔に位置する量子デバイスを接続する量子インターネットアーキテクチャを提案し、仮想的大規模量子システムを構築する。
• 情報の搬送体として飛行キュービット（光子）を用い、遠隔ノード間で量子状態を伝送することで、長距離もつれ配布を実現する。
• 物質キュービット（超伝導キュービットやイオントラップなど）に格納されたキュービットを、ネットワークを介して伝送可能な光子に変換するための物質-飛行キュービットインターフェースを実装する。
• 量子もつれ送信を用いて、直接的な物理的接続なしに遠隔のキュービット間で量子状態を転送し、非局所的量子操作を可能にする。
• 量子アルゴリズムを物理的キュービット接続マップに最適にマッピングすることで、高コストなSWAP操作の必要性を低減し、計算オーバーヘッドを最小限に抑える。
• ノークーリングの定理、測定による波動関数の崩壊、もつれといった量子力学的原則を尊重する新しいネットワーク設計パラダイムを導入し、ARQ やキャッシュといった古典的ネットワーキング機能に代わる仕組みを提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子コンピュータは、現在の数十キュービットの制限を超えて、どのようにして量子優位性を達成できるのか？
• RQ2 量子鍵配送のためのツールから、分散量子計算のプラットフォームに進化させるために、どのようなアーキテクチャ的およびプロトコルレベルのイノベーションが必要か？
• RQ3 単一デバイス量子計算におけるSWAP操作のオーバーヘッドと、分散量子計算におけるもつれ送信のオーバーヘッドを、どのように比較・バランスさせるか？
• RQ4 ノークーリングの定理や波動関数の崩壊といった量子力学的原則を尊重するネットワーク層設計における主な課題は何か？
• RQ5 例えば超伝導キュービットやイオントラップといった多様な量子ハードウェア技術を、統合された量子インターネットインfraにどのように統合できるか？

主な発見

• 2台の10キュービット量子デバイスを量子インターネットで接続することで、最大2^18 - 2 = 262,142キュービットの仮想量子システムが得られ、孤立したデバイスよりも指数的スピードアップが可能になる。
• 量子もつれ送信により、異なる遠隔デバイス上に存在するキュービット間で非局所的量子操作が可能となり、分散量子計算の基盤を形成する。
• 飛行キュービット（光子）の使用により、長距離もつれ配布が可能となり、光子は環境との相互作用が弱く、既存の光ファイバーインfraと相性が良いことから、理想的な選択である。
• 現在の最先端技術では、デコherenceと冷却要件のため、量子プロセッサは数十キュービットに制限されており、スケーラビリティを実現するには量子インターネットによる接続が不可欠である。
• ノークーリングの定理や測定による波動関数の崩壊のため、古典的ネットワーキング手法（例：ARQ、キャッシュ）は量子ネットワークでは適用不可能である。
• 量子インターネットの設計には、すべてのレイヤーでネットワークプロトコルを根本的に再考する必要があり、もつれ、もつれ送信、エラー耐性の管理に向けた根本的進歩が不可欠である。