JP4295679B2 - Quantum calculation method, quantum computer, and quantum calculation program - Google Patents

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Description

この発明は、量子計算を行う量子計算方法、量子計算機及びその量子計算プログラムに関し、特に、キュービット間の交換操作を行う量子計算方法、量子計算機及びその量子計算プログラムに関する。   The present invention relates to a quantum computation method, a quantum computer, and a quantum computation program for performing quantum computation, and more particularly, to a quantum computation method, a quantum computer, and a quantum computation program for performing an exchange operation between qubits.

<量子コンピュータ>
量子力学の動作原理に基づいて計算を行う量子コンピュータの研究が世界中で盛んに行われている。現在のコンピュータの数理モデルであるチューリングマシンの拡張として、1985年にイギリスのドイチェが量子チューリングマシンを提案し、量子コンピュータ研究の基礎を作った。その後、量子チューリングマシンとは異なる計算モデルである量子回路が提案され、さらに量子チューリングマシンは量子回路と性能上等価であることが理論的に証明された。しかし、量子チューリングマシンと通常のチューリングマシンとの間の性能上の本質的な差異が理論的に解明されなかったため、また、量子回路が当時物理的に実現できなかったため、量子コンピュータのアイディアは一般的に広く認知されてこなかった。量子コンピュータが世界的に注目されるきっかけになったのは、1994年にAT&T(当時)のショーアが因数分解を多項式時間で解く量子アルゴリズムを発表したことが契機である。
<Quantum computer>
Research on quantum computers that perform calculations based on the operating principles of quantum mechanics has been actively conducted around the world. As an extension of the Turing machine, which is a mathematical model of the current computer, Deutsche, UK, proposed a quantum Turing machine in 1985, which laid the foundation for quantum computer research. After that, a quantum circuit, which is a computational model different from the quantum Turing machine, was proposed, and it was theoretically proved that the quantum Turing machine is equivalent in performance to the quantum circuit. However, the fundamental differences in performance between quantum Turing machines and ordinary Turing machines were not theoretically elucidated, and quantum circuits could not be physically realized at that time, so the idea of quantum computers is general Has not been widely recognized. The reason why quantum computers attracted worldwide attention was that in 1994, Shower of AT & T (at that time) announced a quantum algorithm that solved factorization in polynomial time.

量子コンピュータがもし実現できれば、ショーアのアルゴリズムを使い、RSA暗号を含むほとんどの公開鍵暗号を破ることができる。ショーアの発見以来、ソフトウェアとハードウェアの両面から非常に多くの研究が発表されてきた。量子コンピュータの実現には、量子計算における情報の基本単位である量子ビットを表現するハードウェアと、そのハードウェアにおける1量子ビットの回転操作及び2量子ビットのCNOT(制御NOT)操作が必要である。例えば、2001年にIBMが7量子ビットのNMR量子コンピュータを使用して、15の因数分解に成功したが、この実験では量子ビットを原子の核スピンで表現し、1量子ビットの回転操作及びCNOT操作を電磁場の制御によって実現した。   If a quantum computer can be implemented, it can break most public key cryptography, including RSA cryptography, using the Shore algorithm. Since the discovery of Shore, a great deal of research has been published in both software and hardware. Realization of a quantum computer requires hardware that expresses a qubit that is a basic unit of information in quantum computation, and a rotation operation of 1 qubit and a CNOT (control NOT) operation of 2 qubits in the hardware. . For example, in 2001, IBM succeeded in factoring 15 using an NMR quantum computer with 7 qubits. In this experiment, qubits were represented by atomic nuclear spins, and one qubit rotation operation and CNOT The operation was realized by controlling the electromagnetic field.

量子コンピュータを実現するためのハードウェアは数多く提案されているが、スピンを用いた量子コンピュータはその中の有力候補のひとつである。このタイプの量子コンピュータには、量子ビットとして、量子ドット中の電子スピンを用いる方法(非特許文献1)や原子の核スピンを用いる方法(非特許文献2,3)などが含まれる。
<スピンを利用した量子コンピュータの問題点>
このようにスピンを利用した量子コンピュータは有望視されているが、その原理にはいくつか問題点も指摘されている。例えば、非特許文献4ではCNOT操作が量子物理学の基本的保存量である総スピン量を変化させるため、スピンを使った量子コンピュータには計算精度の限界があり、十分な精度を確保するためには必要量の100倍のアンシラ量子ビット(補助量子ビット)が必要であることが指摘されている。
A lot of hardware has been proposed to realize quantum computers, but quantum computers using spin are one of the promising candidates. This type of quantum computer includes a method using an electron spin in a quantum dot (Non-Patent Document 1) and a method using an atomic nuclear spin (Non-Patent Documents 2 and 3) as qubits.
<Problems of quantum computers using spin>
Thus, quantum computers using spin are promising, but some problems are pointed out in the principle. For example, in Non-Patent Document 4, the CNOT operation changes the total spin amount, which is the basic conserved amount of quantum physics. Therefore, the quantum computer using spins has a limit in calculation accuracy, and ensures sufficient accuracy. It is pointed out that an ancillary qubit (auxiliary qubit) that is 100 times the required amount is necessary for the above.

<非特許文献5の解決手段>
この様な問題点を解決する技術もまた提案されている。例えば、非特許文献5では、Encoded Qubit(埋め込まれた量子ビット)の概念を導入し、複数の量子ビットで論理量子ビットを表現することによって、量子コンピュータを実現する方法が提案されている。この方法では、量子ビットに交換操作を施すだけで、論理量子ビット上の任意の回転操作とCNOT操作を実現している。量子ビットをスピンで実現した場合、交換操作は総スピン量を変化させない操作であり、非特許文献4における困難を解決している。
<Solution of Non-Patent Document 5>
Techniques for solving such problems have also been proposed. For example, Non-Patent Document 5 proposes a method for realizing a quantum computer by introducing the concept of an encoded qubit (embedded qubit) and expressing a logical qubit with a plurality of qubits. In this method, an arbitrary rotation operation and CNOT operation on a logical qubit is realized only by performing an exchange operation on the qubit. When the qubit is realized by spin, the exchange operation is an operation that does not change the total spin amount, and solves the difficulty in Non-Patent Document 4.

この非特許文献5で提案されている方法をより具体的に述べる。この方法では、論理的な量子ビットを3量子ビットで表現する。具体的には、3量子ビット空間中の以下の状態をもって論理的な0と1とする(|0〉,|1〉を基底とする。)。
|0〉=1/√2(|010)−|100))
|1〉=1/√6(2|001)−|010)−|100))
この|0〉と|1〉は直交しており、これらの量子状態をスピンの交換操作を用いて変形しても、|0〉と|1〉が作る2次元空間の中で閉じている。逆に、|0〉と|1〉が作る2次元空間上の任意の点は、第1量子ビットと第2量子ビットの交換操作(部分的な交換も含む)と、第2量子ビットと第3量子ビットの交換操作(部分的な交換も含む)によって、|0〉または|1〉から作ることができることが示せる。したがって、論理量子ビット上の任意の回転操作がスピンの交換操作によって実現できることがわかる。
The method proposed in Non-Patent Document 5 will be described more specifically. In this method, a logical qubit is expressed by 3 qubits. Specifically, the following states in the three qubit space are set to logical 0 and 1 (based on | 0 L > and | 1 L >).
| 0 L > = 1 / √2 (| 010) − | 100))
| 1 L > = 1 / √6 (2 | 001) − | 010) − | 100))
This | 0 L > and | 1 L > are orthogonal, and even if these quantum states are transformed using the spin exchange operation, | 0 L > and | 1 L > are in a two-dimensional space created by | 0 L > and | 1 L >. Closed. Conversely, an arbitrary point on the two-dimensional space created by | 0 L > and | 1 L > includes the first qubit and second qubit exchange operation (including partial exchange) and the second qubit. It can be shown that it can be made from | 0 L > or | 1 L > by the exchange operation of the third qubit (including partial exchange). Therefore, it can be seen that an arbitrary rotation operation on the logical qubit can be realized by a spin exchange operation.

ここで、交換操作(部分的な交換も含む)とは、2量子ビットの量子状態

Figure 0004295679
を生成する操作を意味する。なお、原子の核スピンを量子ビットとして用いる場合、この操作は、交換対象の原子に磁場を与えることによって実現できる。 Here, the exchange operation (including partial exchange) is a quantum state of 2 qubits
Figure 0004295679
Means an operation to generate When the atomic nuclear spin is used as a qubit, this operation can be realized by applying a magnetic field to the exchange target atom.

また、tは交換の程度(2量子ビット間において量子状態がどの程度交換されるか)を示すパラメータである。具体的には、例えば、原子の核スピンを量子ビットとして用いる場合、上述の磁場を与える時間に定数を乗じた値がtとなる。また、完全な量子状態の交換が行われるのは、t=1/2+kπ(kは整数)の場合であり、t=1/2+kπ以外の交換操作を部分的な交換と呼ぶ。
また、非特許文献5では、図12のような交換操作を行うことによって、2論理量子ビット上のCNOT操作を実現している。
T is a parameter indicating the degree of exchange (how much quantum state is exchanged between two qubits). Specifically, for example, when the nuclear spin of an atom is used as a qubit, a value obtained by multiplying the time for applying the magnetic field by a constant is t. In addition, a complete exchange of quantum states is performed in the case of t = 1/2 + kπ (k is an integer), and an exchange operation other than t = 1/2 + kπ is referred to as a partial exchange.
In Non-Patent Document 5, a CNOT operation on two logical qubits is realized by performing an exchange operation as shown in FIG.

ここで、図12における横軸は時間軸を示しており、各横棒は各量子ビットを表現している。また、矢印は部分的な交換を表現している。さらにその横のアルファベットで示した数字は、交換の程度を示すパラメータを表現している。また、2つの論理量子ビットは、量子ビットの組1〜3と4〜6それぞれによって表現している。
以上のように、3量子ビットで1論理量子ビットを表現し、量子ビット間の交換操作のみを行うことによって、任意の回転操作とCNOT操作、つまり量子計算を行うことが可能である。
Here, the horizontal axis in FIG. 12 represents the time axis, and each horizontal bar represents each qubit. The arrow represents a partial exchange. Furthermore, the numbers indicated by the alphabets next to it represent parameters indicating the degree of exchange. Two logical qubits are represented by qubit sets 1 to 3 and 4 to 6, respectively.
As described above, an arbitrary rotation operation and CNOT operation, that is, quantum computation can be performed by expressing one logical qubit with 3 qubits and performing only an exchange operation between qubits.

<非特許文献5の方法の問題点>
しかし、この方法には問題点もある。一般に、3量子ビットで1論理量子ビットを表現した場合、2論理量子ビットと交換操作から生成される空間は9次元(例えば、非特許文献6参照。)である。だが、それをCNOT操作に限定すると、その操作は4次元空間の操作となり、残りの5次元は無駄な空間となる。つまり、上述のCNOT操作を実現する交換操作において上述のパラメータtを厳密に正しく制御できたならば、4次元空間の量子状態へのCNOT操作結果は、同じ4次元空間への写像となるはずである。しかし、現実の物理操作では交換操作のパラメータtを厳密に操作することは不可能である。そのため、実際に4次元空間の量子状態に図12の交換操作を行うと、残りの5次元空間への「漏れ(Leakage)」が発生する。
<Problem of the method of Non-Patent Document 5>
However, there are problems with this method. In general, when one logical qubit is expressed by three qubits, the space generated from the two logical qubits and the exchange operation has nine dimensions (see, for example, Non-Patent Document 6). However, if it is limited to the CNOT operation, the operation becomes a four-dimensional space operation, and the remaining five dimensions become a useless space. In other words, if the parameter t described above can be strictly controlled in the exchange operation for realizing the above CNOT operation, the result of the CNOT operation to the quantum state in the four-dimensional space should be a mapping to the same four-dimensional space. is there. However, in actual physical operation, it is impossible to strictly operate the parameter t of the exchange operation. Therefore, when the exchange operation of FIG. 12 is actually performed on the quantum state of the four-dimensional space, “Leakage” to the remaining five-dimensional space occurs.

すなわち、3個の量子ビットで1論理量子ビットを表現した場合、2論理量子ビットで表現される6量子ビットに対する交換操作は、その物理的要請から9次元空間「W」中の線形操作となる。そして、この交換操作が2論理量子ビットに対する何らかの量子計算となる必要十分条件は、この交換操作によって4次元空間「V」中の点が同じ空間上に写像されることである(ただし、この4次元空間「V」は、2論理量子ビットそれぞれの2次元空間の直積空間である。)。ところが、実際に図12の交換操作を行うと、パラメータtの誤差により、V中の点vがV中の点v’に写像されずに、W中の点v”+v”へと写像されてしまう(ただし、v”はV中の点であり、VはWにおけるVの直行補完空間である。)。これが漏れの問題である。なお、一般にこのようなv”を漏れの成分と呼び、v”がゼロベクトルでない時、物理的操作によって漏れが生じたというが、以下で取り扱う「漏れ」とは、パラメータtの誤差を、人為的操作の誤差のみに限定した場合のものである。
このような「漏れ」の発生は、非特許文献5にあるような 高次元空間に論理量子ビットを表現して実現する量子コンピュータにとって最大の問題の一つである。もっと一般的な記述をするならば、誤差を減らす事は量子コンピュータにおいて重要である。
That is, when one logical qubit is represented by three qubits, the exchange operation for six qubits represented by two logical qubits is a linear operation in the 9-dimensional space “W” because of its physical requirements. . A necessary and sufficient condition for this exchange operation to be some kind of quantum computation on two logical qubits is that the points in the four-dimensional space “V 1 ” are mapped onto the same space by this exchange operation (however, this The four-dimensional space “V 1 ” is a direct product space of the two-dimensional space of each of the two logical qubits. However, when the exchange operation of FIG. 12 is actually performed, the point v 1 in V 1 is not mapped to the point v 1 ′ in V 1 due to the error of the parameter t, and the point v 1 ”+ v in W 1 is not mapped. "would be mapped to (although, v 2" 2 is a point in V 2, V 2 is the orthogonal complement space V 1 in W.). this is the leakage problem. it should be noted that generally this Such v 2 ″ is called a leakage component, and when v 2 ″ is not a zero vector, leakage is caused by physical operation. However, “leakage” treated below refers to an error in parameter t, which is an artificial operation. This is a case where the error is limited to the above.
The occurrence of such “leakage” is one of the biggest problems for quantum computers that are realized by expressing logical qubits in a high-dimensional space as described in Non-Patent Document 5. In a more general description, reducing errors is important in quantum computers.

<従来の解決手段>
この問題を解決する従来方法として、非特許文献7に記載の方法がある。これは、3量子ビットで1論理量子ビットを表現して行う量子計算で生じる「漏れ」を、量子計算上の誤差に変換し、その修正を行うものである。以下、この方法を説明する。
<Conventional solution>
As a conventional method for solving this problem, there is a method described in Non-Patent Document 7. In this method, “leakage” caused by quantum computation performed by expressing one logical qubit with 3 qubits is converted into an error in quantum computation and corrected. Hereinafter, this method will be described.

まず、3量子ビットの基底を|0〉,|1〉,|2〉,…,|7〉ととる。ただし、|0〉,|1〉を、それぞれ1論理量子ビットの0と1に対応させるものとする。つまり、|2〉,…,|7〉は「漏れ」の成分に対応する。
また、1論理量子ビットを補正するために、論理量子ビットとして解釈したしたときに0となっている補助(ancilla)量子ビットを3つ容易する。
First, bases of three qubits are taken as | 0>, | 1>, | 2>,. However, | 0> and | 1> correspond to 0 and 1 of one logical qubit, respectively. That is, | 2>,..., | 7> corresponds to the “leak” component.
Also, in order to correct one logical qubit, three ancilla qubits that are 0 when interpreted as logical qubits are facilitated.

そして、以下のような写像を交換操作によって実現する。
|0,0〉→|0,0〉
|1,0〉→|1,0〉
|その他の基底,0〉→||0>と|1>の基底で張られる空間(V)上の点,任意の点〉
ここで、|i,j〉のiは、補正対象の論理量子ビット(3量子ビット)の状態基底を上述の基底を用いて示したものであり、jは補助ビットの状態基底を上述の基底を用いて示したものである。また、この操作は、漏れ(状態の|2〉,…,|7〉成分)を量子計算上の誤差(あるべき状態としてのV上の点と、現在の状態としてのV上の点の差)に変換する操作である。
Then, the following mapping is realized by an exchange operation.
| 0,0> → | 0,0>
| 1,0> → | 1,0>
| Other bases, 0> → || 0> and | 1> points on the space (V 1 ) spanned by the bases, arbitrary points>
Here, i of | i, j> indicates the state base of the logical qubit (3 qubits) to be corrected using the above-mentioned base, and j indicates the state base of the auxiliary bit. It is shown using. Moreover, this operation is leaking (the state | 2>, ..., | 7 > component) and a point on the V 1 of the as the state error (there should on quantum computing a point on the V 1 of the as the current state This is an operation for conversion to (difference).

その後、この量子計算上の誤差を公知の方法(例えば、非特許文献8,9,10)によって補正する。
D. Loss and D.P. DiVincenzo, Quantum computation with quantum dots, Physical Review A 57, pp.120-126, 1998. Gershenfield, Chuang, Bulk spin resonance quantum computation, Science 275, 350, 1997. B.E. Kane, A silicon-based nuclear spin quantum computer, Nature 393, 133, 1998. M. Ozawa, Conservative quantum computing, Physical Review Letters 89, No.5 (2000) 057902. D.P. DiVincenzo, D. Bacon, J. Kempe, S. Burkard, K.B. Whaley, Universal quantum computation with the exchange interaction, Nature 408, pp.339--342 (2000). J. Kempe, D. Bacon, D.A. Lidar, K.B. Whaley, Theory of Decoherence-free fault-tolerant universal quantum computation, Physical Review A 63, 042307 (2001). J. Kempe, D. Bacon, D.P. DiVincenzo, K.B. Whaley, Encoded Universality from a Single Physical Interaction, Quantum Information and Computation 1, 241 (2001). P. W. Shor. Fault-tolerant quantum computation. IN Preceedings, 37th Annual Symposium on Fundamentals of Computer Science, pages 55-65, IEEE Press, Los Alamitos, CA, 1996. A. M. Steane. Error Correcting Codes in Quantum Theory. Phys. Rev. Lett., 77:793,1996. A. M. Steane. Efficient fault-tolerant quantum computing. Nature, 399:124, May 1993.
Thereafter, this quantum calculation error is corrected by a known method (for example, Non-Patent Documents 8, 9, and 10).
D. Loss and DP DiVincenzo, Quantum computation with quantum dots, Physical Review A 57, pp.120-126, 1998. Gershenfield, Chuang, Bulk spin resonance quantum computation, Science 275, 350, 1997. BE Kane, A silicon-based nuclear spin quantum computer, Nature 393, 133, 1998. M. Ozawa, Conservative quantum computing, Physical Review Letters 89, No. 5 (2000) 057902. DP DiVincenzo, D. Bacon, J. Kempe, S. Burkard, KB Whaley, Universal quantum computation with the exchange interaction, Nature 408, pp.339--342 (2000). J. Kempe, D. Bacon, DA Lidar, KB Whaley, Theory of Decoherence-free fault-tolerant universal quantum computation, Physical Review A 63, 042307 (2001). J. Kempe, D. Bacon, DP DiVincenzo, KB Whaley, Encoded Universality from a Single Physical Interaction, Quantum Information and Computation 1, 241 (2001). PW Shor. Fault-tolerant quantum computation.IN Preceedings, 37th Annual Symposium on Fundamentals of Computer Science, pages 55-65, IEEE Press, Los Alamitos, CA, 1996. AM Steane.Error Correcting Codes in Quantum Theory.Phys. Rev. Lett., 77: 793, 1996. AM Steane. Efficient fault-tolerant quantum computing. Nature, 399: 124, May 1993.

しかし、非特許文献7に記載の方法の場合、量子ビット及び計算時間に関し、新たなコストを発生させてしまうという問題点がある。
すなわち、非特許文献7に記載の方法の場合、論理量子ビットの補正を行うたびに新たな補助ビットが必要になる。これは量子計算に必要な量子ビットの数を大幅に増加させることを意味する。
また、論理量子ビットの補正の際、補助ビットを用いた新たな演算、及び量子計算上の誤差を補正する新たな演算が必要になる。これは、これは量子計算に必要な計算コストを大幅に増加させることを意味する。
However, in the case of the method described in Non-Patent Document 7, there is a problem that a new cost is generated with respect to qubits and calculation time.
That is, in the case of the method described in Non-Patent Document 7, a new auxiliary bit is required every time the logical qubit is corrected. This means that the number of qubits required for quantum computation is greatly increased.
In addition, when a logical qubit is corrected, a new operation using an auxiliary bit and a new operation for correcting an error in quantum calculation are required. This means that this greatly increases the computational cost required for quantum computation.

この発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、交換操作だけを使用して量子計算を実行する量子計算技術において、量子ビットや計算時間に関する新たなコストを発生させることなく、「漏れ」の問題を改善する技術を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a point, and in a quantum computation technique that executes quantum computation using only an exchange operation, it is possible to perform “leakage” without generating new costs related to qubits and computation time. It aims at providing the technology which improves the problem of "."

この発明では上記課題を解決するために、複数の物理量子ビットにおいて、論理量子ビット(n(n≧2)個の物理量子ビット)を符号化単位とし、第1の論理量子ビットを第1の基底で符号化し、第2の論理量子ビット(≠第1の論理量子ビット)を第2の基底(≠第1の基底)で符号化する。そして、これらの符号化された第1の論理量子ビットと第2の論理量子ビットとの交換操作を行う。なお、「物理量子ビット」とは、スピン1/2粒子等の物理的な量子ビット単位を意味する。
ここで、複数種類の基底を用いて論理量子ビットの符号化を行った場合も、従来例と同様、任意の回転操作やCNOT捜査を交換操作で実装できる。しかし、複数種類の基底を用いた場合、それらの交換操作によって生成される空間の次元は、単一の基底を用いた場合と異なる。そして、このように生成される空間の次元を変化させることにより「漏れ」の問題を根本的に改善できる場合がある。
In the present invention, in order to solve the above-described problem, in a plurality of physical qubits, logical qubits (n (n ≧ 2) physical qubits) are used as coding units, and the first logical qubit is set to the first The second logical qubit (≠ first logical qubit) is encoded with the second base (≠ first base). Then, an exchange operation between the encoded first logical qubit and the second logical qubit is performed. The “physical qubit” means a physical qubit unit such as a spin 1/2 particle.
Here, even when logical qubits are encoded using a plurality of types of bases, an arbitrary rotation operation or CNOT search can be implemented by an exchange operation as in the conventional example. However, when a plurality of types of bases are used, the dimension of the space generated by the exchange operation is different from that when a single base is used. In some cases, the “leakage” problem can be fundamentally improved by changing the dimension of the generated space.

例えば、n=3とし、第1の基底及び第2の基底を、
1/√2(|010〉−|100〉),
1/√6(2|001〉−|010〉−|100〉),
1/√2(|101〉−|011〉),
1/√6(2|110−|101−|011),
から選択した対によって定めることとした場合、異なる基底によって符号化された2量子論理ビットの交換操作で生成される空間は9次元ではなく、5次元の部分空間と9次元の部分空間との線形結合となる。具体的には、これらの異なる基底で符号化された2論理量子ビット間の交換操作結果は、以下のような量子状態となる(詳細は後述)。なお、|ψ〉は5次元空間であり、|ψ〉は9次元空間である。
|ψ〉=(1/√2)・|ψ〉+(1/√2)・|ψ〉…(1)
For example, n = 3, and the first basis and the second basis are
1 / √2 (| 010> − | 100>),
1 / √6 (2 | 001> − | 010> − | 100>),
1 / √2 (| 101>-| 011>),
1 / √6 (2 | 110 > − | 101 > − | 011 > ),
The space generated by the exchange operation of two quantum logic bits encoded by different bases is not 9-dimensional, but linear between a 5-dimensional subspace and a 9-dimensional subspace. It becomes a bond. Specifically, the exchange operation result between two logical qubits encoded with these different bases becomes the following quantum state (details will be described later). Note that | ψ 0 > is a five-dimensional space, and | ψ 1 > is a nine-dimensional space.
| Ψ> = (1 / √2) · | ψ 0 > + (1 / √2) · | ψ 1 > (1)

ここで、上述の式(1)における5次元空間|ψ〉で蓄積される誤差をΔとおき、9次元空間|ψ〉で蓄積される誤差をΔとおく。この場合、式(1)全体の誤差Δは、

Figure 0004295679
となる。 Here, an error accumulated in the five-dimensional space | ψ 0 > in the above formula (1) is denoted by Δ 0, and an error accumulated in the nine-dimensional space | ψ 1 > is denoted by Δ 1 . In this case, the error Δ of the entire expression (1) is
Figure 0004295679
It becomes.

一般に、ある部分空間内で量子ビットに対する物理的操作が行われた場合、その物理的操作によって生じる誤差の蓄積量は、その部分空間の次元が低いほど小さい。つまり、このような誤差は、その部分空間内の何れかの次元成分を有し、その成分値は正の場合もあれば負の場合もある。そして、同一の次元上に正の誤差成分と負の誤差成分とが蓄積された場合、これらの誤差成分は相殺される。また、発生した2つ誤差が同一次元の成分を有する確率は、この部分空間の次元が低いほど高い。結果、部分空間の次元が低いほど最終的に蓄積される誤差の量は小さくなる。   In general, when a physical operation is performed on a qubit in a certain subspace, the accumulated amount of error caused by the physical operation is smaller as the dimension of the subspace is lower. That is, such an error has any dimensional component in the subspace, and the component value may be positive or negative. When a positive error component and a negative error component are accumulated on the same dimension, these error components are canceled out. Further, the probability that the two generated errors have the same dimension component is higher as the dimension of the subspace is lower. As a result, the lower the subspace dimension, the smaller the amount of error that is ultimately accumulated.

そのため、従来の3つの物理量子ビットからなる論理量子ビットの交換操作によって作られる9次元空間で蓄積される誤差をΔとおくと、Δ<Δ及びΔ≒Δの関係が成り立つ。そして、これらの関係と上述の式(2)によりΔ<Δの関係が成り立つ。これは、上述の第1の基底及び第2の基底で符号化した場合の一般的な誤差蓄積量が、従来の単一の基底で符号化した場合のそれよりも小さいことを意味している。そして、一般的な誤差蓄積量を低減できるということは、「漏れ」の量を低減できるということも意味している。 Therefore, placing the error accumulated by the 9-dimensional space created by the conventional replacement operation of the logical qubit consisting of three physical qubits and Δ 2, Δ 0 <Δ 2 and delta 1 ≒ delta 2 relationship is established . The relationship of Δ <Δ 2 is established by these relationships and the above-described equation (2). This means that the general error accumulation amount when encoded with the first basis and the second basis described above is smaller than that when encoded with the conventional single basis. . And the fact that a general error accumulation amount can be reduced also means that the amount of “leakage” can be reduced.

この発明では、第1の論理量子ビットを第1の基底で符号化し、第2の論理量子ビットを第2の基底で符号化し、異なる基底で符号化された第1の論理量子ビットと第2の論理量子ビットとの交換操作を行うこととしたため、単一の基底のみを用いた交換操作の場合と異なる次元の空間を生成することができる。その結果、nや基底の選び方によっては「漏れ」の量を低減することができる。   In the present invention, the first logical qubit is encoded with the first basis, the second logical qubit is encoded with the second basis, and the first logical qubit encoded with the different basis and the second logical qubit Therefore, it is possible to generate a space having a dimension different from that of the exchange operation using only a single basis. As a result, the amount of “leakage” can be reduced depending on how n and the base are selected.

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
<概要>
「漏れ」を本質的に低減させるためには、2論理量子ビットの交換操作から生成される空間をなるべく小さくし、不必要な空間次元を減らす必要がある。本形態では、各論理量子ビットの符号化に複数種類の基底(2値表現の方法)を用いることにより不必要な空間次元を減らし「漏れ」を本質的に低減させる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<Overview>
In order to substantially reduce “leakage”, it is necessary to make the space generated from the exchange operation of two logical qubits as small as possible and to reduce unnecessary space dimensions. In this embodiment, by using a plurality of types of bases (binary representation method) for encoding each logical qubit, unnecessary spatial dimensions are reduced, and “leakage” is essentially reduced.

<概略構成>
図2は、本形態における量子計算機1の概略構成を例示した概念図である。
図2に例示するように、量子計算機1は、物理量子ビット11a〜11c,12a〜12c,13a〜13cが複数配置されたキュービット基板10、物理量子ビット11a〜11c,12a〜12c,13a〜13cの量子状態を初期化する初期化部20、論理量子ビット11〜13(n(n≧2)個の物理量子ビット/この例ではn=3)を符号化単位とし、キュービット基板に配置された各論理量子ビットを、m(m≧2)種類の基底の何れかで符号化する符号化部30、及び異なる基底で符号化された論理量子ビット間の交換操作を行う交換操作部40を有している。
<Outline configuration>
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a schematic configuration of the quantum computer 1 in this embodiment.
As illustrated in FIG. 2, the quantum computer 1 includes a qubit substrate 10 in which a plurality of physical qubits 11a to 11c, 12a to 12c, and 13a to 13c are arranged, and physical qubits 11a to 11c, 12a to 12c, and 13a to An initialization unit 20 for initializing the quantum state of 13c, arranged on a qubit substrate with logical qubits 11 to 13 (n (n ≧ 2) physical qubits / n = 3 in this example) as encoding units An encoding unit 30 that encodes each of the generated logical qubits with any of m (m ≧ 2) types of bases, and an exchange operation unit 40 that performs an exchange operation between logical qubits encoded with different bases have.

ここで、この例の物理量子ビット11a〜11c,12a〜12c,13a〜13cは、原子の核スピンや量子ドット中の電子スピン等のスピン1/2粒子である。また、この例の各論理量子ビット11〜13は、隣接するn個(この例ではn=3)の物理量子ビットによって構成される。なお、ここでの「隣接」とは、物理量子ビットが順次隣接する場合も含む概念であり、n個の物理量子ビットがすべて隣り合っている場合に限定されない。
また、図2では、一列に並んだ9つの物理量子ビット11a〜11c,12a〜12c,13a〜13cによって、3つの論理量子ビット11〜13を構成しているが、物理量子ビットや論理量子ビットの数や配置はこれに限定されない。
Here, the physical quantum bits 11a to 11c, 12a to 12c, and 13a to 13c in this example are spin ½ particles such as atomic nuclear spins and electron spins in quantum dots. In addition, each logical qubit 11 to 13 in this example is configured by n adjacent (n = 3 in this example) physical qubits. Here, “adjacent” is a concept including a case where physical qubits are sequentially adjacent, and is not limited to a case where all n physical qubits are adjacent.
In FIG. 2, three logical qubits 11 to 13 are configured by nine physical qubits 11a to 11c, 12a to 12c, and 13a to 13c arranged in a line. The number and arrangement of are not limited to this.

<具体的構成例>
図3は、本形態の量子計算機1の具体的構成を例示したブロック図である。
図3に例示するように、この例の量子計算機1は、キュービット基板10、「初期化部20」を構成する冷却部21と冷却制御部22、「符号化部30」を構成する磁石31と磁場制御部32、「交換操作部40」を構成するレーザ光出射部41とレーザ制御部42とミラー43とミラー駆動部44、カンチレバー50、CPU(Central Processing Unit)60、量子計算機1の制御をCPU60に実行させるための量子計算プログラムを格納したプログラムメモリ70、演算対象となる入力値の古典情報を記憶した入力値メモリ80及び論理量子ビットの物理的操作内容を示す情報を格納した操作内容メモリ90を有している。
<Specific configuration example>
FIG. 3 is a block diagram illustrating a specific configuration of the quantum computer 1 of the present embodiment.
As illustrated in FIG. 3, the quantum computer 1 of this example includes a qubit board 10, a cooling unit 21 that constitutes an “initialization unit 20”, a cooling control unit 22, and a magnet 31 that constitutes an “encoding unit 30”. And the magnetic field control unit 32, the laser light emitting unit 41, the laser control unit 42, the mirror 43, the mirror driving unit 44, the cantilever 50, the CPU (Central Processing Unit) 60, and the quantum computer 1 that constitute the “exchange operation unit 40”. Is a program memory 70 that stores a quantum computation program for causing the CPU 60 to execute, an input value memory 80 that stores classical information of an input value to be operated, and an operation content that stores information indicating the physical operation content of a logical qubit A memory 90 is included.

ここで、この例のキュービット基板10は、Si(111)基板等であり、例えば、「J. -L. Lim, et al., JAP84, 255(1998)」や「Phys. Rev. Lett. 2002」に記載された方法により、図2に例示したような物理量子ビットが形成されている。また、冷却部21は、例えば、キュービット基板10を[mK(ミリケルビン)]オーダー以下に冷却可能なレーザ冷却装置や希釈冷却機等である。   Here, the qubit substrate 10 of this example is a Si (111) substrate or the like, for example, “J. -L. Lim, et al., JAP84, 255 (1998)” or “Phys. Rev. Lett. The physical qubit as illustrated in FIG. 2 is formed by the method described in “2002”. The cooling unit 21 is, for example, a laser cooling device or a dilution cooler that can cool the qubit substrate 10 to the [mK (millikelvin)] order or less.

また、この例の場合、キュービット基板10は、カンチレバー50の片面に固着され、磁石31は、その固着面と反対の側に配置される。また、磁場制御部32は、この磁石31の磁場を制御できるように配置・構成される。冷却部21は、キュービット基板10の冷却が可能なように配置・構成され、冷却制御部22は、冷却部21への指示が可能なように冷却部21と電気的に接続される。また、レーザ光出射部41は、出射したレーザ光がミラー43に入射する位置に設けられ、レーザ制御部42は、レーザ光出射部41への指示が可能なようにレーザ光出射部41と電気的に接続される。ミラー43は、レーザ光出射部41から出射されたレーザ光を、キュービット基板10の任意な場所へ反射できるように配置・構成され、ミラー駆動部44は、このミラー43の反射角を制御できるように構成される。そして、CPU60は、これらの冷却制御部22、磁場制御部32、レーザ制御部42及びミラー駆動部44を制御できるようにこれらと電気的に接続され、さらに、プログラムメモリ70、入力値メモリ80及び操作内容メモリ90のデータの読取が可能なように構成される。   Further, in this example, the qubit substrate 10 is fixed to one side of the cantilever 50, and the magnet 31 is disposed on the side opposite to the fixed surface. The magnetic field control unit 32 is arranged and configured so as to control the magnetic field of the magnet 31. The cooling unit 21 is arranged and configured so that the qubit board 10 can be cooled, and the cooling control unit 22 is electrically connected to the cooling unit 21 so that instructions to the cooling unit 21 are possible. The laser beam emitting unit 41 is provided at a position where the emitted laser beam is incident on the mirror 43, and the laser control unit 42 is electrically connected to the laser beam emitting unit 41 so that the laser beam emitting unit 41 can be instructed. Connected. The mirror 43 is arranged and configured so that the laser beam emitted from the laser beam emitting unit 41 can be reflected to an arbitrary place on the qubit substrate 10, and the mirror driving unit 44 can control the reflection angle of the mirror 43. Configured as follows. The CPU 60 is electrically connected to the cooling control unit 22, the magnetic field control unit 32, the laser control unit 42, and the mirror driving unit 44 so as to control them, and further includes a program memory 70, an input value memory 80, and The operation content memory 90 is configured to be able to read data.

<処理>
次に、本形態の量子計算方法について説明する。
図1は、本形態における量子計算方法を説明するためのフローチャートである。以下、この図に沿って、本形態の処理手順を説明していく。
[初期化]
まず、初期化部20(図2)において、キュービット基板10の物理量子ビット11a〜11c,12a〜12c,13a〜13cを初期化する(ステップS1)。具体的には、例えば、CPU60(図3)が、プログラムメモリ70から読み出した量子計算プログラムに従い、冷却制御部22に指示を与え、この指示を受けた冷却制御部22が冷却部21を駆動する。これにより、キュービット基板10が数mK以下にまで冷却され、物理量子ビット11a〜11c,12a〜12c,13a〜13cのスピン方向がそろえられる(例えば「Phys. Rev. Lett. 2002」参照。)。なお、図4の(a)は、この初期化した物理量子ビット11a〜11c,12a〜12c,13a〜13cを示した概念図である。また、この状態が各物理量子ビットの「0」に相当する。さらに、図4における縦軸・横軸は、いずれも空間を示す。
<Processing>
Next, the quantum calculation method of this embodiment will be described.
FIG. 1 is a flowchart for explaining a quantum calculation method in this embodiment. Hereinafter, the processing procedure of this embodiment will be described with reference to this figure.
[Initialization]
First, the initialization unit 20 (FIG. 2) initializes the physical qubits 11a to 11c, 12a to 12c, and 13a to 13c of the qubit substrate 10 (step S1). Specifically, for example, the CPU 60 (FIG. 3) gives an instruction to the cooling control unit 22 according to the quantum calculation program read from the program memory 70, and the cooling control unit 22 that receives this instruction drives the cooling unit 21. . Thereby, the qubit substrate 10 is cooled to several mK or less, and the spin directions of the physical qubits 11a to 11c, 12a to 12c, and 13a to 13c are aligned (see, for example, “Phys. Rev. Lett. 2002”). . 4A is a conceptual diagram showing the initialized physical qubits 11a to 11c, 12a to 12c, and 13a to 13c. This state corresponds to “0” of each physical quantum bit. Furthermore, the vertical axis and the horizontal axis in FIG.

[第1の基底での符号化]
次に、符号化部30において、論理量子ビットを符号化単位とし、それぞれ3つの物理量子ビット11a〜11c,13a〜13c(図4(b)の白丸)からなる第1の論理量子ビット11,13を第1の基底で符号化する(ステップS2)。具体的には、例えば、CPU60(図3)がプログラムメモリ70から読み出した量子計算プログラムに従い、入力値メモリ80から演算対象の値を読み出し、その値に応じた指示を磁場制御部32に与える。磁場制御部32は、この指示に従って磁石31の磁場を変化させ、第1の論理量子ビット11,13を第1の基底で符号化する(例えば「Ref. quant-ph/9905096v2(1999)」参照。)。
[Encoding on the first basis]
Next, the encoding unit 30 uses the logical qubits as encoding units, and each of the first logical qubits 11, 11 a to 11 c and 13 a to 13 c (white circles in FIG. 4B), 13 is encoded with the first basis (step S2). Specifically, for example, according to the quantum calculation program read from the program memory 70 by the CPU 60 (FIG. 3), the value to be calculated is read from the input value memory 80, and an instruction according to the value is given to the magnetic field control unit 32. The magnetic field control unit 32 changes the magnetic field of the magnet 31 according to this instruction, and encodes the first logical qubits 11 and 13 with the first base (for example, see “Ref. Quant-ph / 9905096v2 (1999)”). .)

以下、この符号化処理を具体的に説明する。なお、第1の基底としては、例えば、
1/√2(|010〉−|100〉),
1/√6(2|001〉−|010〉−|100〉),
1/√2(|101〉−|011〉),
1/√6(2|110−|101−|011),
から選択した対を用いることができるが、この例では、
|0〉=1/√2(|010−|100) …(3)
|1〉=1/√6(2|001−|010−|100) …(4)
を第1の基底とする。また|0〉,|1〉は、それぞれ論理量子ビットの「0」「1」に対応する。
Hereinafter, this encoding process will be described in detail. As the first base, for example,
1 / √2 (| 010> − | 100>),
1 / √6 (2 | 001> − | 010> − | 100>),
1 / √2 (| 101>-| 011>),
1 / √6 (2 | 110 > − | 101 > − | 011 > ),
A pair selected from can be used, but in this example,
| 0 L> = 1 / √2 (| 010> - | 100>) ... (3)
| 1 L > = 1 / √6 (2 | 001 > − | 010 > − | 100 > ) (4)
Is the first basis. Further, | 0 L > and | 1 L > correspond to logical qubits “0” and “1”, respectively.

図5は、論理量子ビット11を式(3)の状態(「0」)に符号化する処理を示した図である。なお、この図における矢印は時間経過を示している(図6〜図8も同様)。
この図に示す通り、論理量子ビット11を、この例の第1の基底で「0」に符号化する場合、まず、物理量子ビット11aを反転させ(ステップS11)、それにアダマール(Hadamard)変換

Figure 0004295679
を施す(ステップS12)。次に、その物理量子ビット11aを反転制御ビットとし、物理量子ビット11bを目標ビットとした反転制御NOT演算(反転制御ビットが0のときに目標ビットを反転させる)を行う(ステップS13)。そして最後に、物理量子ビット11aを反転させる(ステップS14)。 FIG. 5 is a diagram illustrating a process of encoding the logical qubit 11 into the state (“0”) of Expression (3). In addition, the arrow in this figure has shown progress of time (FIG. 6-8 is also the same).
As shown in this figure, when the logical qubit 11 is encoded to “0” in the first base of this example, first, the physical qubit 11a is inverted (step S11), and then Hadamard transform is performed on it.
Figure 0004295679
(Step S12). Next, an inversion control NOT operation (inverting the target bit when the inversion control bit is 0) using the physical qubit 11a as the inversion control bit and the physical qubit 11b as the target bit is performed (step S13). Finally, the physical qubit 11a is inverted (step S14).

図6は、論理量子ビット11を式(4)の状態(「1」)に符号化する処理を示した図である。
この図に示す通り、論理量子ビット11を、この例の第1の基底で「1」に符号化する場合、まず、物理量子ビット11aを反転させ(ステップS21)、それにアダマール変換Hを施す(ステップS22)。次に、その物理量子ビット11aを反転制御ビットとし、物理量子ビット11bを目標ビットとした反転制御NOT演算を行う(ステップS23)。次に、物理量子ビット11aに対し、ユニタリ変換

Figure 0004295679
を施す(ステップS24)。そして、物理量子ビット11a,11bを制御ビットとし、物理量子ビット11cを目標ビットとした制御NOT演算を行い(ステップS25)、さらに、物理量子ビット11a,11bを反転制御ビットとし、物理量子ビット11cを目標ビットとした反転制御NOT演算を行う(ステップS26)。その後、物理量子ビット11b,11cを制御ビットとし、物理量子ビット11aを目標ビットとした制御NOT演算を行い(ステップS27)、さらにその後、物理量子ビット11cを制御ビットとし、物理量子ビット11bを目標ビットとした制御アダマール変換Hを施す(ステップS28)。そして、最後に物理量子ビット11cを制御ビットとし、物理量子ビット11bを目標ビットとした制御NOT演算を行う(ステップS29) FIG. 6 is a diagram showing a process of encoding the logical qubit 11 into the state (“1”) of the equation (4).
As shown in this figure, when the logical qubit 11 is encoded to “1” in the first base of this example, first, the physical qubit 11a is inverted (step S21), and the Hadamard transform H is applied to it (step S21). Step S22). Next, an inversion control NOT operation is performed using the physical qubit 11a as an inversion control bit and the physical qubit 11b as a target bit (step S23). Next, unitary transformation is applied to the physical qubit 11a.
Figure 0004295679
(Step S24). Then, a control NOT operation using the physical qubits 11a and 11b as control bits and the physical qubit 11c as a target bit is performed (step S25), and the physical qubits 11a and 11b are used as inversion control bits, and the physical qubit 11c. An inversion control NOT operation is performed using as a target bit (step S26). Thereafter, a control NOT operation is performed using the physical qubits 11b and 11c as control bits and the physical qubit 11a as a target bit (step S27). Thereafter, the physical qubit 11c is used as a control bit and the physical qubit 11b is set as a target. A control Hadamard transform H, which is a bit, is applied (step S28). Finally, a control NOT operation is performed using the physical qubit 11c as a control bit and the physical qubit 11b as a target bit (step S29).

[第2の基底での符号化]
次に、符号化部30において、3つの物理量子ビット12a〜12c(図4(b)の黒丸)からなる第2の論理量子ビット(≠第1の論理量子ビット)12を第2の基底(≠第1の基底)で符号化する(ステップS3)。具体的には、例えば第1の基底での符号化と同様、CPU60(図3)の制御のもと磁場制御部32が磁石31の磁場を変化させ、第2の論理量子ビット12を第2の基底で符号化する。なお、本形態では、第1の論理量子ビットと第2の論理量子ビットとが交互に配置されるように符号化を行う。すなわち、符号化部20(図2)は、隣り合う論理量子ビットを異なる基底で符号化する。
[Encoding on second basis]
Next, in the encoding unit 30, a second logical qubit (≠ first logical qubit) 12 composed of three physical qubits 12a to 12c (black circles in FIG. 4B) is converted into a second basis ( ≠ 1st basis) (step S3). Specifically, for example, similarly to the encoding on the first basis, the magnetic field control unit 32 changes the magnetic field of the magnet 31 under the control of the CPU 60 (FIG. 3), and the second logical qubit 12 is changed to the second logical qubit 12. Encode on the basis of. In this embodiment, encoding is performed so that the first logical qubit and the second logical qubit are alternately arranged. That is, the encoding unit 20 (FIG. 2) encodes adjacent logical qubits with different bases.

以下、この符号化処理を具体的に説明する。なお、第2の基底としては、例えば、
1/√2(|010〉−|100〉),
1/√6(2|001〉−|010〉−|100〉),
1/√2(|101〉−|011〉),
1/√6(2|110−|101−|011),
から選択した対(第1の基底と異なる対)を用いることができるが、この例では、
〉=1/√2(|101〉−|011〉) …(6)
〉=1/√6(2|110〉−|101〉−|011〉) …(7)
を第2の基底とする。また| 〉,| 〉は、それぞれ論理量子ビットの「0」「1」に対応する。
Hereinafter, this encoding process will be described in detail. As the second base, for example,
1 / √2 (| 010> − | 100>),
1 / √6 (2 | 001> − | 010> − | 100>),
1 / √2 (| 101>-| 011>),
1 / √6 (2 | 110 > − | 101 > − | 011 > ),
A pair selected from (a pair different from the first basis) can be used, but in this example,
| 0 L> = 1 / √2 (| 101> - | 011>) ... (6)
| 1 L> = 1 / √6 (2 | 110> - | 101> - | 011>) ... (7)
Is the second basis. Also, | 0 L > and | 1 L > correspond to “0” and “1” of the logical qubits, respectively.

図7は、論理量子ビット12を式(6)の状態(「0」)に符号化する処理を示した図である。
この図に示す通り、論理量子ビット12を、この例の第2の基底で「0」に符号化する場合、まず、物理量子ビット12aを反転させ(ステップS31)、それにアダマール変換Hを施す(ステップS32)。次に、その物理量子ビット12aを制御ビットとし、物理量子ビット12bを目標ビットとした制御NOT演算を行う(ステップS33)。そして最後に、物理量子ビット12cを反転させる(ステップS34)。
FIG. 7 is a diagram illustrating a process of encoding the logical qubit 12 into the state (“0”) of Expression (6).
As shown in this figure, when the logical qubit 12 is encoded to “0” in the second base of this example, first, the physical qubit 12a is inverted (step S31), and Hadamard transform H is performed on it (step S31). Step S32). Next, a control NOT operation is performed using the physical qubit 12a as a control bit and the physical qubit 12b as a target bit (step S33). Finally, the physical qubit 12c is inverted (step S34).

図8は、論理量子ビット12を式(7)の状態(「1」)に符号化する処理を示した図である。
この図に示す通り、論理量子ビット12を、この例の第2の基底で「1」に符号化する場合、まず、物理量子ビット12aを反転させ(ステップS41)、それにアダマール変換Hを施す(ステップS42)。次に、その物理量子ビット12aを反転制御ビットとし、物理量子ビット12bを目標ビットとした反転制御NOT演算を行う(ステップS43)。次に、物理量子ビット12aに対し、式(5)のユニタリ変換Aを施す(ステップS44)。そして、物理量子ビット12a,12bを制御ビットとし、物理量子ビット12cを目標ビットとした制御NOT演算を行い(ステップS45)、さらに、物理量子ビット12a,12bを反転制御ビットとし、物理量子ビット12cを目標ビットとした反転制御NOT演算を行う(ステップS46)。その後、物理量子ビット12b,12cを制御ビットとし、物理量子ビット12aを目標ビットとした制御NOT演算を行い(ステップS47)、さらにその後、物理量子ビット12cを制御ビットとし、物理量子ビット12bを目標ビットとした制御アダマール変換Hを施す(ステップS48)。そして、次に、物理量子ビット12aを反転し(ステップS49)、物理量子ビット12cを反転制御ビットとし、物理量子ビット12bを目標ビットとした反転制御NOT演算を行い(ステップS50)、物理量子ビット12cを反転する(ステップS51)。
FIG. 8 is a diagram showing a process of encoding the logical qubit 12 into the state (“1”) of Expression (7).
As shown in this figure, when the logical qubit 12 is encoded to “1” by the second base in this example, first, the physical qubit 12a is inverted (step S41), and the Hadamard transform H is applied to it (step S41). Step S42). Next, an inversion control NOT operation is performed using the physical qubit 12a as an inversion control bit and the physical qubit 12b as a target bit (step S43). Next, the unitary transformation A of Expression (5) is performed on the physical qubit 12a (step S44). Then, a control NOT operation is performed using the physical qubits 12a and 12b as control bits and the physical qubit 12c as a target bit (step S45). Further, the physical qubits 12a and 12b are used as inversion control bits, and the physical qubit 12c. An inversion control NOT operation is performed using as a target bit (step S46). Thereafter, a control NOT operation is performed using the physical qubits 12b and 12c as control bits and the physical qubit 12a as a target bit (step S47). Thereafter, the physical qubit 12c is used as a control bit and the physical qubit 12b is set as a target. A control Hadamard transform H, which is a bit, is applied (step S48). Next, the physical qubit 12a is inverted (step S49), and an inversion control NOT operation is performed using the physical qubit 12c as an inversion control bit and the physical qubit 12b as a target bit (step S50). 12c is inverted (step S51).

[交換操作]
次に、交換操作部40において、符号化された第1の論理量子ビット11,13と、符号化された第2の論理量子ビット12と、の交換操作を行う(ステップS4)。なお、この交換操作は、例えば、隣り合う論理量子ビット間の交換操作であり、図12に示した制御NOTのための交換操作(部分的な交換も含む)である。
図9は、この交換操作を概念的に示した図である。図9に示すように、本ステップでは、それぞれ異なる基底で符号化された第1の論理量子ビット11(物理量子ビット11a〜11c)と第2の論理量子ビット12(物理量子ビット12a〜12c)に対し、複数の連続した交換操作からなる量子演算を施す。
[Exchange operation]
Next, the exchange operation unit 40 performs an exchange operation between the encoded first logical qubits 11 and 13 and the encoded second logical qubit 12 (step S4). This exchange operation is, for example, an exchange operation between adjacent logical qubits, and is an exchange operation (including partial exchange) for the control NOT shown in FIG.
FIG. 9 is a diagram conceptually showing this exchange operation. As shown in FIG. 9, in this step, the first logical qubit 11 (physical qubits 11a to 11c) and the second logical qubit 12 (physical qubits 12a to 12c) encoded with different bases are used. Is subjected to a quantum operation consisting of a plurality of consecutive exchange operations.

具体的には、例えば、CPU60(図3)が、プログラムメモリ70から読み出した量子計算プログラムに従い、操作内容メモリ90から操作内容を示す情報を読み取り、この情報に従ってレーザ制御部42及びミラー駆動部44に指示を与える。レーザ制御部42及びミラー駆動部44は、これらの指示に従い、それぞれレーザ光出射部41及びミラー43を制御し、交換操作を行う論理量子ビットに対しレーザ光を照射し、交換操作を行う。   Specifically, for example, the CPU 60 (FIG. 3) reads information indicating the operation content from the operation content memory 90 according to the quantum calculation program read from the program memory 70, and the laser control unit 42 and the mirror drive unit 44 according to this information. Give instructions to. In accordance with these instructions, the laser control unit 42 and the mirror driving unit 44 control the laser beam emitting unit 41 and the mirror 43, respectively, irradiate the logical qubits that perform the exchange operation with laser light, and perform the exchange operation.

<本形態の特徴>
以上説明した通り、本形態では、各論理量子ビットの符号化に複数種類の基底を用いることとしたため、単一の基底のみを用いて交換操作を行う場合と異なる次元の空間を生成することが可能となる。そのため、論理量子ビットを構成する物理量子ビット数や基底の選択によっては、生成される空間の次元を単一の基底のみを用いる場合に比べて制限でき、「漏れ」の発生を根本的に低減することができる。
<Features of this embodiment>
As described above, in this embodiment, since a plurality of types of bases are used for encoding each logical qubit, it is possible to generate a space of a different dimension from the case of performing an exchange operation using only a single base. It becomes possible. Therefore, depending on the number of physical qubits constituting the logical qubit and the selection of the basis, the dimension of the generated space can be limited compared to the case of using only a single basis, and the occurrence of “leakage” is fundamentally reduced. can do.

例えば、3つの物理量子ビットを用いて論理量子ビットを構成し、
1/√2(|010〉−|100〉),
1/√6(2|001〉−|010〉−|100〉),
1/√2(|101〉−|011〉),
1/√6(2|110−|101−|011),
から選択した対によって定まる2つの基底を用いて符号化を行った場合、それによって生成される空間は、全角運動量S=1,Z成分の角運動量S=0に対応する9次元の部分空間と、S=0,S=0に対応する5次元の部分空間との線形結合(重ね合わせ)となる(例えば、「Sun Fu Tuan, 桜井明夫,“現代の量子力学(上)”,吉岡書店,2003年1月15日発行,P276〜P297」参照。)。
For example, a logical qubit is configured using three physical qubits,
1 / √2 (| 010> − | 100>),
1 / √6 (2 | 001> − | 010> − | 100>),
1 / √2 (| 101>-| 011>),
1 / √6 (2 | 110 > − | 101 > − | 011 > ),
When encoding is performed using two bases determined by a pair selected from the above, a space generated by the base is a 9-dimensional subspace corresponding to the total angular momentum S = 1 and the angular momentum S z = 0 of the Z component. And a linear combination (superposition) with a five-dimensional subspace corresponding to S = 0 and S z = 0 (for example, “Sun Fu Tuan, Akio Sakurai,“ Modern Quantum Mechanics (above) ”, Yoshioka (See Bookstore, issued on January 15, 2003, pages 276-297).

また、交換操作は、全角運動量SやZ成分の角運動量Sを変化させることなく行われる線形操作であり、その交換操作によって生成される量子状態も、前述の式(1)のような5次元の部分空間と9次元の部分空間との線形結合となる。
そして、この場合、この空間全体の一般的な誤差Δは前述の式(2)のようになり、従来の3つの物理量子ビットからなる論理量子ビットの交換操作によって作られる9次元空間で蓄積される一般的な誤差Δよりも小さくなる。そして、一般的な誤差を低減できる結果、「漏れ」の量も低減できる。
Also, exchange operation is a linear operation performed without changing the angular momentum S z of total angular momentum S and Z components, quantum states generated by the exchange operation is also as described above in the formula (1) 5 It is a linear combination of a three-dimensional subspace and a nine-dimensional subspace.
In this case, the general error Δ of the entire space is expressed by the above-described equation (2), and is accumulated in the 9-dimensional space created by the conventional logical qubit exchange operation including three physical qubits. It is smaller than the typical error delta 2 that. As a result of reducing the general error, the amount of “leakage” can also be reduced.

<応用例等>
なお、この発明は上述の実施の形態に限定されるものではない。例えば、本形態では、物理量子ビットをキュービット基板に一列に生成することとした(図4)が、図10の(a)のように、キービット基板200に数列の物理量子ビット210を略平行に形成し、隣り合う3つの物理量子ビット210によって論理量子ビット220を構成することとしてもよい(2次元正方格子量子ビット配列)。また、この例の場合も、白丸と黒丸は符号化する基底の違いを示している(図10(b),図11の例の場合も同様)。さらに、図10における縦軸・横軸は何れも空間を示している(以下の図11も同様)。
<Application examples>
The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, in this embodiment, the physical qubits are generated in a line on the qubit board (FIG. 4). However, as shown in FIG. The logical qubits 220 may be formed by three adjacent physical qubits 210 that are formed in parallel (two-dimensional square lattice qubit array). Also in this example, white circles and black circles indicate differences in bases to be encoded (the same applies to the examples of FIGS. 10B and 11). Furthermore, the vertical axis and the horizontal axis in FIG. 10 each indicate a space (the same applies to FIG. 11 below).

また、図10の(b)のキュービット基板300のように、各論理量子ビット320を構成する3つの物理量子ビット310が、それぞれ二等辺三角形の頂点に配置され、各論理量子ビット320が交互に配置される構成としてもよい(2次元カゴメ格子量子ビット配列)。
さらに、図11のキュービット基板400のように、各論理量子ビット420を構成する3つの物理量子ビット410が、基底ごとに異なる方向に一直線に配置され、各論理量子ビット420が交互に配置される構成としてもよい(2次元カゴメ格子量子ビット配列)。
Further, as in the qubit substrate 300 of FIG. 10B, the three physical qubits 310 constituting each logical qubit 320 are arranged at the vertices of an isosceles triangle, and the respective logical qubits 320 are alternately arranged. (Two-dimensional kagome lattice qubit array).
Further, as in the qubit board 400 of FIG. 11, the three physical qubits 410 constituting each logical qubit 420 are arranged in a straight line in different directions for each base, and the respective logical qubits 420 are arranged alternately. (Two-dimensional Kagome lattice qubit array).

また、論理量子ビット及び物理量子ビットを三次元に配置することとしてもよい。
さらに、本形態では、2種類の基底を用いて論理量子ビットの符号化を行う例について説明したが、3種類以上の基底を用いて論理量子ビットの符号化を行うこととしてもよい。
また、本形態では、物理的に隣り合う論理量子ビットの表現が常に異なるように論理量子ビットの符号化を行ったが、少なくとも一部において、同じ基底で符号化された論理量子ビットが連続して配置されることとしてもよい。
Also, logical qubits and physical qubits may be arranged in three dimensions.
Furthermore, in this embodiment, an example in which logical qubits are encoded using two types of bases has been described, but logical qubits may be encoded using three or more types of bases.
In this embodiment, the logical qubits are encoded so that the expressions of physically adjacent logical qubits are always different. However, at least a part of the logical qubits encoded on the same basis is continuous. It is good also as arranging.

さらに、本形態では物理量子ビットとしてスピン1/2粒子を用いる例を示したが、他の物理系を用いて物理量子ビットを構成してもよい。
また、本形態では、観測についての記載は省略したが、量子データの測定は、例えば、操作対象の物理量子ビットと同じ量子状態となる測定用の物理量子ビット列をキュービット基板上に数列生成し、それに対して核磁気共鳴プローブ法(MRFM)(例えば「Phys. Rev. Lett. 2002」参照。)等を適用することにより行う。
Furthermore, in this embodiment, an example in which spin 1/2 particles are used as physical qubits is shown, but physical qubits may be configured using other physical systems.
In this embodiment, the description of observation is omitted, but the measurement of quantum data is performed by, for example, generating a sequence of physical qubits for measurement that have the same quantum state as the physical qubit to be operated on a qubit substrate. For this, a nuclear magnetic resonance probe method (MRFM) (see, for example, “Phys. Rev. Lett. 2002”) or the like is applied.

さらに、本形態の方法は、従来の解決方法とまったく独立な方法である。つまり、従来の解決方法との併用が可能な方法である。そのために、従来の解決方法に本形態の方法を付加する事で、より効果的に「漏れ」が低減できる。
また、上述の各種の処理は、記載に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。
Furthermore, the method of this embodiment is a completely independent method from the conventional solution. That is, it is a method that can be used in combination with the conventional solution. Therefore, “leakage” can be reduced more effectively by adding the method of this embodiment to the conventional solution.
In addition, the various processes described above are not only executed in time series according to the description, but may be executed in parallel or individually according to the processing capability of the apparatus that executes the processes or as necessary. Needless to say, other modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.

なお、これまで説明した通り、プログラムメモリ70に格納された量子計算プログラムは、量子計算機1の制御に必要な処理をコンピュータに実行させるためのプログラムである。そして、この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよいが、具体的には、例えば、磁気記録装置として、ハードディスク装置、フレキシブルディスク、磁気テープ等を、光ディスクとして、DVD(Digital Versatile Disc)、DVD−RAM(Random Access Memory)、CD−ROM(Compact Disc Read Only Memory)、CD−R(Recordable)/RW(ReWritable)等を、光磁気記録媒体として、MO(Magneto-Optical disc)等を、半導体メモリとしてEEP−ROM(Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory)等を用いることができる。
また、このようなプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したDVD、CD−ROM等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このようなプログラムをサーバコンピュータの記憶装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。
As described above, the quantum calculation program stored in the program memory 70 is a program for causing a computer to execute processing necessary for controlling the quantum computer 1. The program describing the processing content can be recorded on a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may be any medium such as a magnetic recording device, an optical disk, a magneto-optical recording medium, or a semiconductor memory. Specifically, for example, the magnetic recording device may be a hard disk device or a flexible Discs, magnetic tapes, etc. as optical disks, DVD (Digital Versatile Disc), DVD-RAM (Random Access Memory), CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), CD-R (Recordable) / RW (ReWritable), etc. As the magneto-optical recording medium, MO (Magneto-Optical disc) or the like can be used, and as the semiconductor memory, EEP-ROM (Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory) or the like can be used.
Also, such a program is distributed by selling, transferring, or lending a portable recording medium such as a DVD or CD-ROM in which the program is recorded. Furthermore, such a program may be stored in a storage device of a server computer, and the program may be distributed by transferring the program from the server computer to another computer via a network.

このように流通するプログラムを実行する量子計算機1は、例えば、まず、可搬型記録媒体に記録されたプログラムもしくはサーバコンピュータから転送されたプログラムを、一旦、自己のプログラムメモリ70に格納する。そして、処理の実行時、CPU60は、自己のプログラムメモリ70に格納されたプログラムを読み取り、読み取ったプログラムに従った処理を実行する。また、このようなプログラムの別の実行形態として、CPU60が可搬型記録媒体から直接プログラムを読み取り、そのプログラムに従った処理を実行することとしてもよく、さらに、CPU60にサーバコンピュータからプログラムが転送されるたびに、逐次、受け取ったプログラムに従った処理を実行することとしてもよい。   The quantum computer 1 that executes the program distributed in this way, for example, first stores the program recorded on the portable recording medium or the program transferred from the server computer once in its own program memory 70. When executing the process, the CPU 60 reads the program stored in its own program memory 70 and executes the process according to the read program. As another execution form of such a program, the CPU 60 may directly read the program from a portable recording medium and execute processing according to the program. Further, the program is transferred to the CPU 60 from the server computer. Each time, the processing according to the received program may be executed.

本発明は、スピンを用いた、あらゆる量子コンピュータの量子演算に直接使用することができる。   The present invention can be used directly for quantum computation of any quantum computer using spin.

第1の実施の形態における量子計算方法を説明するためのフローチャート。The flowchart for demonstrating the quantum calculation method in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における量子計算機の概略構成を例示した概念図。The conceptual diagram which illustrated schematic structure of the quantum computer in 1st Embodiment. 第1の実施の量子計算機の具体的構成を例示したブロック図。The block diagram which illustrated the concrete composition of the quantum computer of the 1st implementation. (a)は、初期化した物理量子ビットを示した概念図、(b)は、論理量子ビットごとに符号化した様子を示した概念図。(A) is the conceptual diagram which showed the initialized physical qubit, (b) is the conceptual diagram which showed the mode that it encoded for every logical qubit. 論理量子ビットを式(3)の状態に符号化する処理を示した図。The figure which showed the process which encodes a logic qubit to the state of Formula (3). 論理量子ビットを式(4)の状態に符号化する処理を示した図。The figure which showed the process which encodes a logic qubit to the state of Formula (4). 論理量子ビットを式(6)の状態に符号化する処理を示した図。The figure which showed the process which encodes a logic qubit to the state of Formula (6). 論理量子ビットを式(7)の状態に符号化する処理を示した図。The figure which showed the process which encodes a logic qubit to the state of Formula (7). 交換操作を概念的に示した図。The figure which showed exchange operation notionally. キュービット基板の変形例を示した図。The figure which showed the modification of the qubit board | substrate. キュービット基板の変形例を示した図。The figure which showed the modification of the qubit board | substrate. CNOT操作を実現するための交換操作を例示した図。The figure which illustrated exchange operation for realizing CNOT operation.

符号の説明Explanation of symbols

1 量子計算機
10,200,300,400 キュービット基板
20 初期化部
30 符号化部
40 交換操作部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Quantum computer 10,200,300,400 qubit board 20 Initialization part 30 Encoding part 40 Exchange operation part

Claims (15)

n(n≧2)個の物理量子ビットからなる論理量子ビットを符号化単位とし、量子計算を行う量子計算方法であって、
符号化部が、第1の論理量子ビットを第1の基底で符号化するステップと、
上記符号化部が、上記第1の論理量子ビットと異なる第2の論理量子ビットを、上記第1の基底と異なる第2の基底で符号化するステップと、
交換操作部が、符号化された上記第1の論理量子ビットと、符号化された上記第2の論理量子ビットと、の交換操作を行うステップと、
を有することを特徴とする量子計算方法。
A quantum computation method for performing quantum computation using a logical qubit composed of n (n ≧ 2) physical qubits as a coding unit,
An encoding unit encoding the first logical qubit with a first basis;
The encoding unit encoding a second logical qubit different from the first logical qubit with a second base different from the first base;
An exchange operation unit performing an exchange operation between the encoded first logical qubit and the encoded second logical qubit;
A quantum computation method characterized by comprising:
請求項1記載の量子計算方法であって、
上記物理量子ビットは、
スピン1/2粒子である、
ことを特徴とする量子計算方法。
The quantum calculation method according to claim 1,
The physical qubit is
Spin 1/2 particles,
A quantum computation method characterized by that.
請求項1記載の量子計算方法であって、
上記の各論理量子ビットは、
隣接する上記物理量子ビットによって構成される、
ことを特徴とする量子計算方法。
The quantum calculation method according to claim 1,
Each logical qubit above is
Composed of adjacent physical qubits,
A quantum computation method characterized by that.
請求項1記載の量子計算方法であって、
上記第1の論理量子ビットと上記第2の論理量子ビットとは、交互に配置される、
ことを特徴とする量子計算方法。
The quantum calculation method according to claim 1,
The first logical qubit and the second logical qubit are alternately arranged.
A quantum computation method characterized by that.
請求項1記載の量子計算方法であって、
上記nは3であり、
上記の各基底は、
1/√2(|010〉−|100〉),
1/√6(2|001〉−|010〉−|100〉),
1/√2(|101〉−|011〉),
1/√6(2|110〉−|101〉−|011〉),
から選択した対によって定まる、
ことを特徴とする量子計算方法。
The quantum calculation method according to claim 1,
N is 3;
Each of the above bases is
1 / √2 (| 010> − | 100>),
1 / √6 (2 | 001> − | 010> − | 100>),
1 / √2 (| 101>-| 011>),
1 / √6 (2 | 110> − | 101> − | 011>),
Determined by the pair selected from
A quantum computation method characterized by that.
請求項5記載の量子計算方法であって、
上記第1の基底は、
{1/√2(|010〉−|100〉),1/√6(2|001〉−|010〉−|100〉)}であり、
上記第2の基底は、
{1/√2(|101〉−|011〉),1/√6(2|110〉−|101〉−|011〉)}である、
ことを特徴とする量子計算方法。
The quantum calculation method according to claim 5,
The first basis is
{1 / √2 (| 010> − | 100>), 1 / √6 (2 | 001> − | 010> − | 100>)},
The second basis is
{1 / √2 (| 101> − | 011>), 1 / √6 (2 | 110> − | 101> − | 011>)}.
A quantum computation method characterized by that.
請求項1記載の量子計算方法であって、
上記交換操作は、
制御NOT演算のための交換操作である、
ことを特徴とする量子計算方法。
The quantum calculation method according to claim 1,
The above exchange operation
It is an exchange operation for control NOT operation.
A quantum computation method characterized by that.
n(n≧2)個の物理量子ビットからなる論理量子ビットを符号化単位として、量子計算を行う量子計算機であって、
物理量子ビットが複数配置されたキュービット基板と、
上記キュービット基板に配置された各論理量子ビットを、m(m≧2)種類の基底の何れかで符号化する符号化部と、
異なる基底で符号化された上記論理量子ビット間の交換操作を行う交換操作部と、
を有することを特徴とする量子計算機。
A quantum computer that performs quantum computation using a logical qubit composed of n (n ≧ 2) physical qubits as an encoding unit,
A qubit substrate on which a plurality of physical qubits are arranged;
An encoding unit that encodes each logical qubit arranged on the qubit board with any of m (m ≧ 2) types of bases;
An exchange operation unit for performing an exchange operation between the logical qubits encoded in different bases;
A quantum computer characterized by comprising:
請求項8記載の量子計算機であって、
上記物理量子ビットは、
スピン1/2粒子である、
ことを特徴とする量子計算機。
The quantum computer according to claim 8, wherein
The physical qubit is
Spin 1/2 particles,
A quantum computer characterized by that.
請求項8記載の量子計算機であって、
上記の各論理量子ビットは、
隣接する上記物理量子ビットによって構成される、
ことを特徴とする量子計算機。
The quantum computer according to claim 8, wherein
Each logical qubit above is
Composed of adjacent physical qubits,
A quantum computer characterized by that.
請求項8記載の量子計算機であって、
上記符号化部は、
隣り合う上記論理量子ビットを異なる基底で符号化し、
上記交換操作部は、
隣り合う上記論理量子ビット間の交換操作を行う、
ことを特徴とする量子計算機。
The quantum computer according to claim 8, wherein
The encoding unit is
Encode adjacent logical qubits with different basis,
The exchange operation part
Exchange operation between adjacent logical qubits,
A quantum computer characterized by that.
請求項8記載の量子計算機であって、
上記nは3であり、
上記の各基底は、
1/√2(|010〉−|100〉),
1/√6(2|001〉−|010〉−|100〉),
1/√2(|101〉−|011〉),
1/√6(2|110〉−|101〉−|011〉),
から選択した対によって定まる、
ことを特徴とする量子計算機。
The quantum computer according to claim 8, wherein
N is 3;
Each of the above bases is
1 / √2 (| 010> − | 100>),
1 / √6 (2 | 001> − | 010> − | 100>),
1 / √2 (| 101>-| 011>),
1 / √6 (2 | 110> − | 101> − | 011>),
Determined by the pair selected from
A quantum computer characterized by that.
請求項12記載の量子計算機であって、
上記mは2であり、
第1の上記基底は、
{1/√2(|010〉−|100〉),1/√6(2|001〉−|010〉−|100〉)}であり、
第2の上記基底は、
{1/√2(|101〉−|011〉),1/√6(2|110〉−|101〉−|011〉)}である、
ことを特徴とする量子計算機。
The quantum computer according to claim 12, wherein
M is 2;
The first basis is
{1 / √2 (| 010> − | 100>), 1 / √6 (2 | 001> − | 010> − | 100>)},
The second basis is
{1 / √2 (| 101> − | 011>), 1 / √6 (2 | 110> − | 101> − | 011>)}.
A quantum computer characterized by that.
請求項8記載の量子計算機であって、
上記交換操作部は、
制御NOT演算のための交換操作を施す、
ことを特徴とする量子計算機。
The quantum computer according to claim 8, wherein
The exchange operation part
Perform exchange operation for control NOT calculation,
A quantum computer characterized by that.
請求項8から14の何れかに記載の量子計算機の制御に必要な処理をコンピュータに実行させるための量子計算プログラム。   15. A quantum computation program for causing a computer to execute processing necessary for controlling the quantum computer according to claim 8.
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