WO2023189886A1 - 情報処理装置 - Google Patents

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WO2023189886A1
WO2023189886A1 PCT/JP2023/011095 JP2023011095W WO2023189886A1 WO 2023189886 A1 WO2023189886 A1 WO 2023189886A1 JP 2023011095 W JP2023011095 W JP 2023011095W WO 2023189886 A1 WO2023189886 A1 WO 2023189886A1
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WO
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quantum
unit
information processing
arithmetic
processing
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PCT/JP2023/011095
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Inventor
宙之 手塚
雄 田中
比呂至 上野
弘樹 鉄川
Original Assignee
ソニーグループ株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/70—Quantum error correction, detection or prevention, e.g. surface codes or magic state distillation

Definitions

  • the present disclosure relates to an information processing device.
  • NISQ Noisy Intermediate Scale Quantum
  • This NISQ has the problem that noise is generated in the calculation results and errors are accumulated. Therefore, a system has been proposed for leveling noise by combining NISQ and a classical computer (for example, see Patent Document 1).
  • the present disclosure proposes an information processing device that combines NISQ and a quantum operation unit that performs operations while correcting errors.
  • the information processing device of the present disclosure includes a first quantum operation unit, a second quantum operation unit, and a control section.
  • the first quantum operation unit includes quantum bits and performs quantum operations.
  • the second quantum operation unit includes quantum bits and performs quantum operations involving error correction.
  • the control unit causes the first quantum calculation unit to perform calculation processing, and controls to transfer the calculation processing to the second quantum calculation unit based on the amount of error in the calculation processing of the first quantum calculation unit. I do.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration example of an information processing device according to a first embodiment of the present disclosure.
  • 1 is a diagram illustrating a configuration example of a conventional information processing device.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of conventional information processing.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example configuration of an information processing device according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a processing procedure of information processing according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a circuit that transfers calculation results according to the first embodiment of the present disclosure. This is an example in which an error correction code is represented by a stabilizer code.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration example of an information processing device according to a first embodiment of the present disclosure.
  • 1 is a diagram illustrating a configuration example of a conventional information processing device.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of conventional information processing.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a processing procedure of information processing according to a second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a circuit that transfers calculation results according to a second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a schematic configuration example of an information processing device according to a third embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a processing procedure of information processing according to a third embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of an information processing device according to a modification of the embodiment of the present disclosure.
  • NISQ (1. Background technology)
  • FTQC Fault Tolerant Quantum Computer
  • ECC error detection and correction code
  • T-gate when performing non-Clifford operations, which are key to obtaining quantum superiority, an operation called a T-gate is required. In order for this T-gate to work, it is necessary to generate a special quantum state called a magic state. In order to perform quantum operations with ECC implemented, a large amount of this magical state is required. For example, it is estimated that more than 90% of FTQC's quantum bits are used to generate magical states.
  • FIG. 1 is a diagram showing the characteristics of FTQC and NISQ.
  • the advantage of FTQC is that by repeating error correction, the quantum state can be preserved for a long time while maintaining the quantum nature. Therefore, FTQC can perform calculations an arbitrary number of times. This allows for complex operations.
  • NISQ has the advantage that the CNOT operation (Clifford operation), which involves relatively large noise, can be executed at low cost.
  • FTQC FTQC becomes extremely expensive.
  • a special gate T gate
  • ECC processing must be performed at various points in the calculation, there are also disadvantages such as increased processing time and increased power consumption. This is because it is necessary to read out a plurality of quantum bits each time ECC processing is performed. This quantum bit read operation takes several times as long as the gate operation.
  • NISQ does not require ECC processing, calculations can be performed at high speed. Furthermore, since one logical qubit is expressed by one physical qubit, NISQ can construct a large-scale system using about 1000 times as many qubits as FTQC.
  • the drawbacks of NISQ are that the quantum nature disappears in a finite time, that it can only perform a finite number of operations due to noise generated during quantum operations, and that it is not good at operations that span multiple qubits.
  • the present invention was devised for the purpose of using FTQC and NISQ to compensate for each other's shortcomings and achieve the best calculation performance.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration example of an information processing device according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration example of the information processing device 1. As shown in FIG.
  • the information processing device 1 includes a control section 10, a first quantum operation unit 20, and a second quantum operation unit 30.
  • the first quantum operation unit 20 is equipped with quantum bits and performs quantum operations.
  • This first quantum calculation unit 20 is a calculation unit that does not perform error correction during quantum calculation, and corresponds to the above-mentioned NISQ.
  • the second quantum operation unit 30 is equipped with quantum bits and performs quantum operations involving error correction. This second quantum operation unit 30 corresponds to the above-mentioned FTQC.
  • the first quantum operation unit 20 and the second quantum operation unit 30 in the figure can also be provided with a communication path that provides interaction.
  • the dotted arrow in the figure represents this communication path.
  • the communication path corresponds to, for example, a quantum communication path via quantum entanglement.
  • the control section 10 controls the first quantum operation unit 20 and the second quantum operation unit 30.
  • the control unit 10 causes the first quantum calculation unit 20 to perform calculation processing, and also transfers the calculation processing to the second quantum calculation unit 30 based on the amount of error in the calculation processing of the first quantum calculation unit 20. Take control.
  • the first quantum computing unit 20 and the second quantum computing unit 30 may be located in different areas within the same chip (die), in different chips, in different packages, or in different locations. It can be placed in a housing, another system, etc. Furthermore, focusing on the physical system to be implemented, superconductivity, ions, cold atoms, light, semiconductors, etc. can be applied to the first quantum operation unit 20 and the second quantum operation unit 30.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of a conventional information processing device.
  • This figure is a block diagram showing a schematic configuration example of an information processing device 50 described as a comparative example.
  • the information processing device 50 includes a storage 51 , a classical communication path 52 , an external interface 53 , a classical computer 54 , a logical/physical converter 55 , a quantum operation unit 56 , and a quantum communication path 57 .
  • the classical computer 54 is a computer equipped with a CPU (Central Processing Unit), etc., and is a processing system that does not perform quantum operations.
  • the external interface 53 is for communicating with the storage 51 and the classical communication channel 52.
  • the storage 51 holds programs and data.
  • the classical communication channel 52 is a communication channel such as a LAN.
  • Logical/physical converter 55 is an interface between classical computer 54 and quantum computing unit 56.
  • the quantum operation unit 56 performs quantum operations.
  • the classical computer 54 performs processing while communicating with the quantum operation unit 56 via the logical/physical converter 55.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of conventional information processing. This figure is a diagram illustrating interactions between layers in the information processing apparatus 50 of FIG. 3, focusing on information levels.
  • a user 61 inputs commands using a relatively high-level programming language. This instruction is decomposed into low-level elements by a compiler 62 located in the classical computer 54. Various methods can be considered for decomposing this process, depending on various constraints, viewpoints of interest, and evaluation indicators.
  • the decomposed processing is reduced to commands associated with physical operations. Based on this command, the control device 63 causes the quantum operation unit 56 to perform a physical operation 64.
  • a superconducting quantum computer executes calculations by controlling quantum states called transmons through microwave irradiation.
  • the mapping of which physical qubits to allocate logical qubits, the intensity, phase, and irradiation time of the microwaves to be irradiated are determined based on the characteristics and topology of the device used, the processing to be performed, the priority indicators, etc. Optimized.
  • the information processing device 1 of the present disclosure unlike the information processing devices shown in FIGS. 3 and 4, repeatedly compiles and executes commands in the quantum operation unit.
  • the control unit 10 in FIG. 2 distributes and executes the arithmetic processing to the first quantum arithmetic unit 20 and the second quantum arithmetic unit 30 in FIG. Control is performed to transfer the data to the quantum operation unit 30. Specifically, the control unit 10 compiles the arithmetic processing, generates a command, and causes the first quantum arithmetic unit 20 to execute the command. After that, the control unit 10 interrupts the processing of the first quantum calculation unit 20 depending on the situation of the calculation processing.
  • the control unit 10 compiles the remaining arithmetic processing portion again, generates a command, and controls the transfer to the second quantum arithmetic unit 30.
  • the information processing device 1 can perform arithmetic processing using a combination of the first quantum arithmetic unit 20 that does not perform error correction and the second quantum arithmetic unit 30 that performs error correction.
  • the information processing device 1 of the present disclosure will be described in detail using FIG. 5.
  • control unit 10 can also allocate the arithmetic processing in anticipation of the state of the arithmetic processing such as the amount of error in the first quantum arithmetic unit 20.
  • the control unit 10 generates commands for each of the first quantum operation unit 20 and the second quantum operation unit 30 during compilation. After that, the control unit 10 causes the first quantum operation unit 20 and the second quantum operation unit 30 to execute the generated commands in order. At this time, the control unit 10 performs control to transfer the result of the arithmetic processing of the first quantum arithmetic unit 20 to the second quantum arithmetic unit 30 to execute the remaining arithmetic processing.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of an information processing device according to the first embodiment of the present disclosure.
  • This figure like FIG. 1, is a block diagram showing an example of the configuration of the information processing device 1.
  • the control unit 10 includes a classical computer 11 and a logical/physical converter 12.
  • the classical computer 11 in the figure controls the above-mentioned compilation and switching between the first quantum operation unit 20 and the second quantum operation unit 30.
  • the classical computer 11 causes the first quantum arithmetic unit 20 to execute the compiled command, and interrupts the processing in the first quantum arithmetic unit 20 depending on the status of the arithmetic processing.
  • the classical computer 11 compiles the remaining part of the interrupted process again, generates a command, and causes the second quantum operation unit 30 to execute the command, thereby transferring the process.
  • the classical computer 11 further performs control to transfer the calculation result of the first quantum calculation unit 20 to the second quantum calculation unit 30. Since the second quantum operation unit 30 performs error correction, the classical computer 11 performs control to add an error correction code to the operation result.
  • the classical computer 11 causes the first quantum operation unit 20 and the second quantum operation unit 30 to sequentially execute the generated commands.
  • the classical computer 11 performs control to transfer the result of the arithmetic processing of the first quantum arithmetic unit 20 to the second quantum arithmetic unit 30 to execute the remaining arithmetic processing.
  • the classical computer 11 transfers processing to the second quantum operation unit 30 depending on the processing status of the first quantum operation unit 20.
  • the amount of error in the arithmetic processing of the first quantum arithmetic unit 20 can be adopted as the processing situation of the first quantum arithmetic unit 20 that causes this processing shift.
  • the first quantum operation unit 20 accumulates errors as it performs operations. Before this error exceeds an allowable range, the classical computer 11 performs control to transfer the arithmetic processing to the second quantum arithmetic unit 30.
  • an estimated value of the accumulated error amount can be used.
  • This error amount can be calculated, for example, based on processing time (time elapsed from initialization). Further, the error amount can also be calculated based on, for example, the number of one-qubit gate operations. Further, the error amount can also be calculated based on, for example, a two-qubit gate operation number. Letting the error amount be C op , C op can be expressed by the following equation.
  • t represents processing time.
  • N s represents the number of 1-qubit gate operations.
  • Nd represents the number of 2-qubit operations.
  • a, r s and r d represent coefficients. Note that the error also includes deterioration of the quantum state.
  • the classical computer 11 includes a register and the like to hold the calculated error amount, and updates the error amount based on information from the first quantum operation unit 20 and the like. If this error amount C op exceeds a predetermined threshold C th , the classical computer 11 interrupts the operation of the first quantum operation unit 20, saves the operation result, and causes the second quantum operation unit 30 to perform the processing. Migrate.
  • the threshold value C th is determined based on the accuracy of the solution, the time required to derive the solution, the power consumption of the information processing device 1, and an index for leveling the usage time of the first quantum operation unit 20 and the second quantum operation unit 30. An adjusted C th can be used. Moreover, C th that is a combination of these can also be used. To improve the accuracy of the solution, set C th to a relatively small value. Furthermore, when reducing the power consumption of the information processing device 1, C th is set to a relatively large value.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an information processing procedure according to the first embodiment of the present disclosure. The figure is a flowchart showing an example of the processing procedure of the information processing device 1.
  • step S100 quantum gate operation, which is calculation processing, is performed in the first quantum calculation unit 20 (step S100).
  • the control unit 10 updates the error amount (step S101).
  • step S102 determines whether the error amount exceeds a threshold (step S102). As a result, if the error amount does not exceed the threshold (step S102, No), the process returns to step S100, and the control unit 10 causes the first quantum operation unit 20 to continue the quantum gate operation (step S100).
  • step S102 if the error amount exceeds the threshold (step S102, Yes), the control unit 10 controls the process to be transferred to the second quantum operation unit 30. Specifically, the control unit 10 maps the processing result of the first quantum operation unit 20 to the error correction code area (step S103).
  • step S104 the second quantum calculation unit 30 performs quantum gate operation and error correction processing, which are calculation processing (step S104).
  • the control unit 10 determines whether the processing of the second quantum calculation unit 30 has ended (step S105). If the processing has not been completed (step S105, No), the process returns to step S104, and the control unit 10 causes the second quantum operation unit 30 to continue the quantum gate operation and error correction processing (step S104).
  • step S105 if the process has ended (step S105, Yes), the control unit 10 reads out the calculation result (step S106), and ends the process.
  • the information processing device 1 can perform information processing.
  • step S100 the process from step S100 to step S102 is referred to as NISQ mode.
  • step S103 the process in step S103 is referred to as a transition mode.
  • processing from step S104 to step S106 is referred to as FTQC mode.
  • the time obtained by subtracting the time required for the processing in step S103 in FIG. 6 can be applied to the processing time t. This is because errors and deterioration of the quantum state also occur during the mapping in step S103.
  • FIG. 7A is a diagram illustrating an example of a circuit for transferring calculation results according to the first embodiment of the present disclosure.
  • This figure shows an example of a circuit that transfers processing results from the first quantum operation unit 20 to the second quantum operation unit 30.
  • the upper circuit in the figure represents the second quantum operation unit 30, and the lower circuit represents the first quantum operation unit 20.
  • One qubit data of the first quantum operation unit 20 is converted to data of five qubits q 0 to q 4 with error codes in the second quantum operation unit 30 .
  • the transition is performed by adjusting the amplitude of each basis using a control-unitary gate or a Toffoli gate, according to the correspondence between the logical qubit information and physical qubit information used in the error correction code. This can be done by moving to the second quantum operation unit 30.
  • the circuit shown in the figure allows the processing result of the first quantum operation unit 20 to be mapped to the error correction code area. Note that instead of the circuit shown in the same figure, multiple quantum bits in an entangled state are shared in advance, and the quantum state is transferred from the first quantum operation unit 20 to the second quantum operation by quantum communication (quantum teleportation). It can also be transferred to unit 30.
  • FIG. 7B shows an example in which the error correction code is represented by a stabilizer code.
  • Data with error codes of 5 qubits from q 0 to q 4 can be represented by a stabilizer of 5 qubits in the table of the figure.
  • the correspondence relationship formed by the 5-qubit stabilizer in the table of the same figure can be expressed by the mathematical formula of the same figure.
  • the information processing device 1 performs arithmetic processing without error correction in the first quantum arithmetic unit 20. Further, the information processing device 1 monitors the amount of error in this arithmetic processing, and before the amount of error exceeds the allowable range, the information processing device 1 shifts to processing in the second quantum arithmetic unit 30 and performs arithmetic processing accompanied by error correction. Thereby, calculation processing can be performed by combining the first quantum calculation unit 20 and the second quantum calculation unit 30.
  • the information processing device 1 of the first embodiment described above has shifted from the arithmetic processing of the first quantum arithmetic unit 20 to the arithmetic processing of the second quantum arithmetic unit 30.
  • the information processing device 1 according to the second embodiment of the present disclosure transitions from the calculation processing of the second quantum calculation unit 30 to the calculation processing of the first quantum calculation unit 20. This embodiment differs from the embodiment of .
  • the information processing device 1 shifts from the calculation processing of the second quantum calculation unit 30 to the calculation processing of the first quantum calculation unit 20. For this reason, the control unit 10 of the information processing device 1 distributes calculation processing to the second quantum calculation unit 30 and the first quantum calculation unit 20. Then, when compiling the arithmetic processing, the control unit 10 embeds a command for outputting a flag indicating the end of the arithmetic processing in the second quantum arithmetic unit 30 and performs the compilation. Note that the configuration of the information processing device 1 is the same as that of the information processing device 1 in FIG. 5, so a description thereof will be omitted.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of an information processing procedure according to the second embodiment of the present disclosure. Similar to FIG. 6, this figure is a flowchart showing an example of the processing procedure of the information processing device 1. The processing procedure differs from the processing procedure in FIG. 6 in that processing is performed in the order of FTQC mode and NISQ mode.
  • step S110 quantum gate operation and error correction processing, which are calculation processing, are performed in the second quantum calculation unit 30 (step S110).
  • step S111 the control unit 10 determines whether to shift to NISQ mode. This can be done by detecting a flag from the second quantum computing unit 30. If the NISQ mode is not to be entered (step S111, No), the process returns to step S110, and the control unit 10 causes the second quantum operation unit 30 to continue quantum gate operation and error correction processing (step S110).
  • step S111 when shifting to the NISQ mode (step S111, Yes), control is performed to shift to the processing of the first quantum operation unit 20. Specifically, the control unit 10 maps the processing result of the second quantum calculation unit 30 to the NISQ domain (step S112).
  • step S113 the first quantum operation unit 20 performs a quantum gate operation, which is an operation process (step S113).
  • the control unit 10 determines whether the error amount exceeds a threshold (step S114). As a result, if the error amount does not exceed the threshold (step S114, No), the process moves to step S115.
  • step S115 the control unit 10 determines whether the processing of the first quantum operation unit 20 has ended (step S115). If the processing has not ended (step S115, No), the process returns to step S113, and the control unit 10 causes the first quantum operation unit 20 to continue the quantum gate operation (step S113).
  • step S115 Yes
  • the control unit 10 moves to the process in step S116.
  • step S114 if the error amount exceeds the threshold (step S114, Yes), the control unit 10 moves to the process of step S116.
  • step S116 the control unit 10 reads out the calculation result (step S116), and ends the process.
  • the information processing device 1 can perform information processing. Note that the process of step S114 in the figure can also be omitted.
  • step S110 to step S112 corresponds to the FTQC mode. Furthermore, the process in step S112 corresponds to the transition mode. Further, the processing from step S113 to step S116 corresponds to the NISQ mode.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a circuit for transferring calculation results according to the second embodiment of the present disclosure.
  • This figure shows an example of a circuit that transfers processing results from the second quantum operation unit 30 to the first quantum operation unit 20. Similar to FIG. 7A, the upper circuit in the figure represents the second quantum operation unit 30, and the lower circuit represents the first quantum operation unit 20.
  • the logic state of the second quantum operation unit 30 is represented by a linear sum of states made up of multiple qubits.
  • the calculation result can be converted to data of the first quantum calculation unit 20 by performing a multi Toffoli gate calculation after performing appropriate base conversion.
  • the processing result of the second quantum operation unit 30 including the error correction code can be mapped to the area of the first quantum operation unit 20.
  • the information processing device 1 first selects the FTQC mode and shifts to the NISQ mode (processing procedure in FIG. 8), and first selects the NISQ mode and shifts to the FTQC mode (processing procedure in FIG. 6). ) can also be selected and executed. Further, the information processing device 1 can also alternately operate the NISQ mode and the FTQC mode multiple times.
  • the configuration of the information processing device 1 other than this is the same as the configuration of the information processing device 1 in the first embodiment of the present disclosure, so a description thereof will be omitted.
  • the information processing device 1 transfers the calculation process from the second quantum calculation unit 30 to the first quantum calculation unit 20.
  • the second quantum operation unit 30 performs error correction processing.
  • the information processing device 1 according to the third embodiment of the present disclosure differs from the above-described first embodiment in that the coding distance for error correction is adjusted.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a schematic configuration example of an information processing device according to a third embodiment of the present disclosure.
  • This figure like FIG. 5, is a block diagram showing a configuration example of the information processing device 1.
  • the control unit 10 in the figure differs from the information processing apparatus 1 in FIG. 5 in that it further includes an error rate detection unit 13 and performs control to alternately execute the NISQ mode and the FTQC mode a plurality of times.
  • the error rate detection unit 13 detects and holds the error rate in the calculation process of the second quantum calculation unit 30.
  • the classical computer 11 in the figure further performs control to adjust the coding distance based on the error rate held in the error rate detection section 13.
  • the code distance can be adjusted in this plurality of error correction encodings. For example, if the frequency of error correction is lower than expected and the error rate of the system is small, a code with a smaller coding distance can be selected. This makes it possible to reduce the number of quantum bits and the calculations required for error correction encoding. Furthermore, if the frequency of error correction is higher than expected, the coding distance can be increased to improve error correction capability.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of an information processing procedure according to the third embodiment of the present disclosure. Similar to FIG. 6, this figure is a flowchart showing an example of the processing procedure of the information processing device 1.
  • control unit 10 executes the NISQ mode (step S151).
  • control unit 10 executes the transition mode (step S152).
  • the control unit 10 performs error correction encoding of the encoding distance a.
  • the control unit 10 executes the FTQC mode (step S153).
  • the control unit 10 alternately executes the NISQ mode and the FTQC mode. At this time, the control unit 10 adjusts the coding distance based on the detection result of the error rate detection unit 13, and generates the coding distance b.
  • control unit 10 executes the NISQ mode (step S154) and executes the transition mode (step S155). In this transition mode, the control unit 10 performs error correction encoding of the encoding distance b. Next, the control unit 10 executes the FTQC mode (step S156). Through the above processing, the information processing device 1 can perform information processing.
  • the configuration of the information processing device 1 other than this is the same as the configuration of the information processing device 1 in the first embodiment of the present disclosure, so a description thereof will be omitted.
  • the information processing device 1 performs the NISQ mode and the FTQC mode multiple times and adjusts the encoding distance during error correction encoding. Thereby, the error correction encoding process can be optimized.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration example of an information processing device according to a modification of the embodiment of the present disclosure.
  • the figure is a block diagram showing an example of the configuration of the information processing device.
  • the information processing device 4 in the figure includes n information processing devices (information processing devices 1a to 1b), n classical computers (classical computers 2a to 2b), and a virtualization layer 3.
  • This virtualization layer 3 virtualizes a plurality of information processing devices to which the first quantum operation unit 20 and the second quantum operation unit 30 are allocated.
  • the present technology can also have the following configuration.
  • control unit performs control to transfer the arithmetic processing to the second quantum arithmetic unit based on the error amount according to the number of one-qubit gate operations in the arithmetic processing.
  • control unit performs control to transfer the arithmetic processing to the second quantum arithmetic unit based on the error amount according to the number of two-qubit gate operations in the arithmetic processing.
  • control unit further performs control to transfer the arithmetic processing to the first quantum arithmetic unit after selecting the second quantum arithmetic unit and causing the arithmetic processing to be performed.
  • the information processing device according to any one of. (6) The information according to any one of (1) to (5) above, wherein the control unit further performs control to transfer the arithmetic processing transferred to the second quantum arithmetic unit to the first quantum arithmetic unit again. Processing equipment. (7) The information processing device according to any one of (1) to (6), wherein the control unit adjusts the coding distance for the error correction in the second quantum operation unit.

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Abstract

ＮＩＳＱと誤りを訂正しながら演算を行うＦＴＱＣとを組み合わせた情報処理装置を提供する。情報処理装置（１）は、第１の量子演算ユニット（２０）と、第２の量子演算ユニット（３０）と、制御部（１０）とを有する。第１の量子演算ユニット（２０）は、量子ビットを備え、量子演算を行う。第２の量子演算ユニット（３０）は、量子ビットを備え、誤り訂正を伴う量子演算を行う。制御部（１０）は、第１の量子演算ユニット（２０）に演算処理を行わせるとともに、第１の量子演算ユニット（２０）の演算処理における誤り量に基づいて演算処理を第２の量子演算ユニット（３０）に移行させる制御を行う。

Description

情報処理装置
　本開示は、情報処理装置に関する。
　複雑な計算処理を高速に実行可能なシステムとして、量子計算機（Quantum　Computer）が注目されている。このうち、中規模な量子計算機であるＮＩＳＱ（Noisy　Intermediate　Scale　Quantum）は、量子計算機のアルゴリズムの検討等の用途において広く使用されている。このＮＩＳＱには、演算結果にノイズを生じ、誤りが蓄積されるという問題がある。そこで、ＮＩＳＱ及び古典計算機を組み合わせてノイズを平準化するシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
米国特許出願公開第２０２１／２７２００２号明細書
　しかしながら、上記の従来技術は、誤りの訂正において更なる改善の余地がある。
　そこで、本開示では、ＮＩＳＱと誤りを訂正しながら演算を行う量子演算ユニットとを組み合わせた情報処理装置を提案する。
　本開示の情報処理装置は、第１の量子演算ユニットと、第２の量子演算ユニットと、制御部とを有する。第１の量子演算ユニットは、量子ビットを備え、量子演算を行う。第２の量子演算ユニットは、量子ビットを備え、誤り訂正を伴う量子演算を行う。制御部は、上記第１の量子演算ユニットに演算処理を行わせるとともに、上記第１の量子演算ユニットの演算処理における誤り量に基づいて上記演算処理を上記第２の量子演算ユニットに移行させる制御を行う。
ＦＴＱＣ及びＮＩＳＱの特徴を示す図である。 本開示の第１の実施形態に係る情報処理装置の概略の構成例を示す図である。 従来の情報処理装置の構成例を示す図である。 従来の情報処理の処理の一例を示す図である。 本開示の第１の実施形態に係る情報処理装置の構成例を示す図である。 本開示の第１の実施形態に係る情報処理の処理手順の一例を示す図である。 本開示の第１の実施形態に係る演算結果を移行する回路の一例を示す図である。 誤り訂正符号をスタビライザ符号により表す場合の例を表したものである。 本開示の第２の実施形態に係る情報処理の処理手順の一例を示す図である。 本開示の第２の実施形態に係る演算結果を移行する回路の一例を示す図である。 本開示の第３の実施形態に係る情報処理装置の概略の構成例を示す図である。 本開示の第３の実施形態に係る情報処理の処理手順の一例を示す図である。 本開示の実施形態の変形例に係る情報処理装置の構成例を示す図である。
　以下に、本開示の実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。説明は、以下の順に行う。なお、以下の各実施形態において、同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。
１．背景技術
２．第１の実施形態
３．第２の実施形態
４．第３の実施形態
５．変形例
　（１．背景技術）
　上述のＮＩＳＱは、量子操作の度に生じるノイズの影響により、量子性が保たれる時間が有限長である。このため、ＮＩＳＱは、有限の回数の量子操作しか行うことができないという問題がある。このＮＩＳＱに対して、誤りを訂正しながら量子演算を行う誤り訂正量子計算機（ＦＴＱＣ：Fault　Tolerant　Quantum　Computer）は、任意の量子演算を任意の回数実行可能である。このＦＴＱＣを実現するには、多数の物理量子ビットを用いて誤り検出訂正符号（ＥＣＣ：Error　detection　and　Correction　Code）を実装する必要がある。例えば、ＥＣＣ無しのエラー率が０．１％の場合、１論理量子ビットの構成には１０００個の物理量子ビットが必要とされる。このＥＣＣを実装した場合であっても、クリフォード演算であれば効率的に処理ができる。しかし、量子優位性を得るための要となる非クリフォード演算を行う場合には、Ｔゲートと呼ばれる操作が必要となる。このＴゲートを作用させるには魔法状態（magic　state）と呼ばれる特殊な量子状態を生成する必要がある。ＥＣＣを実装した状態において量子演算を実行するには、この魔法状態が大量に必要となる。例えば、ＦＴＱＣの量子ビットの９０％以上は、魔法状態の生成に費やされると試算されている。
　図１は、ＦＴＱＣ及びＮＩＳＱの特徴を示す図である。ＦＴＱＣの利点は、誤り訂正を繰り返すことにより、量子性を保ちながら量子状態を長時間保存することができる点にある。このため、ＦＴＱＣは、任意の回数の演算を行うことができる。これにより、複雑な操作が可能となる。更に、ＮＩＳＱでは比較的大きなノイズが乗るＣＮＯＴ演算（クリフォード演算）を低いコストで実行できるという利点もある。
　一方、ＦＴＱＣの欠点は、ＥＣＣを実装した論理量子ビットを生成するために、大量の物理量子ビットを必要とする点である。このため、ＦＴＱＣは、非常に高コストとなる。更に、ＥＣＣを実装した状態における演算には特殊なゲート（Ｔゲート）を必要とする。また、ＥＣＣ処理を演算の随所で行う必要があるため、処理時間が長くなり、消費電力が大きくなる等の欠点もある。ＥＣＣ処理の度に複数の量子ビットの読出しが必要となるためである。この量子ビットの読出し操作には、ゲート操作の数倍の時間を要する。
　これに対し、ＮＩＳＱは、ＥＣＣの処理が不要なため、演算を高速に行うことができる。また、１物理量子ビットで１論理量子ビットを表現するため、ＮＩＳＱは、ＦＴＱＣの１０００倍程度の量子ビットを使用した規模の大きなシステムを構築することができる。
　一方、ＮＩＳＱの欠点は、有限時間で量子性が消失する点、量子演算時に生じるノイズにより有限回の操作しか行えない点、そして複数量子ビットに跨がる演算が苦手という点である。
　このようなＦＴＱＣ及びＮＩＳＱを組み合わせて使用することにより、両者の欠点を互いに補完することができる。本発明は、ＦＴＱＣ及びＮＩＳＱを使用することにより、互いの短所を補って最良の計算パフォーマンスを発現することを目的とし、考案されたものである。
　（２．第１の実施形態）
　［情報処理装置の構成］
　図２は、本開示の第１の実施形態に係る情報処理装置の概略の構成例を示す図である。同図は、情報処理装置１の概略の構成例を表すブロック図である。情報処理装置１は、制御部１０と、第１の量子演算ユニット２０と、第２の量子演算ユニット３０とを備える。
　第１の量子演算ユニット２０は、量子ビットを備えて量子演算を行うものである。この第１の量子演算ユニット２０は、量子演算の際に誤り訂正を行わない演算ユニットであり、上述のＮＩＳＱに該当する。
　第２の量子演算ユニット３０は、量子ビットを備えて誤り訂正を伴う量子演算を行うものである。この第２の量子演算ユニット３０は、上述のＦＴＱＣに該当する。
　同図の第１の量子演算ユニット２０及び第２の量子演算ユニット３０は、相互作用を付与する通信路を備えることもできる。同図の点線の矢印は、この通信路を表す。通信路には、例えば、量子もつれを介した量子通信路が該当する。
　制御部１０は、第１の量子演算ユニット２０及び第２の量子演算ユニット３０を制御するものである。この制御部１０は、第１の量子演算ユニット２０に演算処理を行わせるとともに、第１の量子演算ユニット２０の演算処理における誤り量に基づいて演算処理を第２の量子演算ユニット３０に移行させる制御を行う。
　物理的な配置場所に着目すると、第１の量子演算ユニット２０及び第２の量子演算ユニット３０は、同一チップ（ダイ：die）内の別の領域や、別のチップ、別のパッケージ、別の筐体、別のシステム等に配置することができる。また、実装される物理系に着目すると、第１の量子演算ユニット２０及び第２の量子演算ユニット３０には、超伝導、イオン、冷却原子、光及び半導体等を適用することができる。
　図３は、従来の情報処理装置の構成例を示す図である。同図は、比較例として記載した情報処理装置５０の概略の構成例を表すブロック図である。情報処理装置５０は、ストレージ５１と、古典通信路５２と、外部インターフェイス５３と、古典計算機５４と、論理／物理変換器５５と、量子演算ユニット５６と、量子通信路５７とを備える。
　古典計算機５４は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）等を備えた計算機であり、量子演算を行わない処理系である。外部インターフェイス５３は、ストレージ５１や古典通信路５２とのやり取りを行うものである。ストレージ５１は、プログラムやデータを保持するものである。古典通信路５２は、ＬＡＮ等の通信路である。論理／物理変換器５５は、古典計算機５４及び量子演算ユニット５６の間のインターフェイスである。量子演算ユニット５６は、量子演算を行うものである。古典計算機５４は、量子演算ユニット５６との間において論理／物理変換器５５を介した通信を行いながら処理を行う。
　図４は、従来の情報処理の処理の一例を示す図である。同図は、図３の情報処理装置５０における階層間におけるやり取りを情報のレベルに着目して表した図である。ユーザ６１が、比較的高級なプログラム言語により命令を入力する。この命令は、古典計算機５４に配置されたコンパイラ６２により低級な要素に分解される。この処理の分解方法には、種々の制約や着目する観点、評価指標により、様々な方法が考えられる。分解された処理は、物理的な操作と紐づいたコマンドへ帰着される。このコマンドに基づいて制御装置６３が量子演算ユニット５６に対して物理操作６４を行わせる。
　例えば、超伝導量子計算機では、マイクロ波の照射によりトランズモン（transmon）と呼ばれる量子の状態を制御することにより演算を実行する。どの物理量子ビットに論理量子ビットを割り当てるかのマッピング（mapping）や照射するマイクロ波の強度、位相及び照射時間などは、使用するデバイスの特性やトポロジー、実行させる処理及び優先する指標等に鑑みて最適化される。
　本開示の情報処理装置１は、図３及び４に表した情報処理装置と異なり、コンパイルと量子演算ユニットにおけるコマンドの実行とを繰り返し行う。図２の制御部１０は、演算処理を図２の第１の量子演算ユニット２０及び第２の量子演算ユニット３０に振り分けて実行させるとともに、演算処理を第１の量子演算ユニット２０から第２の量子演算ユニット３０に移行させる制御を行う。具体的には、制御部１０は、演算処理のコンパイルを行ってコマンドを生成し、第１の量子演算ユニット２０に実行させる。その後、制御部１０は、演算処理の状況に応じて第１の量子演算ユニット２０の処理を中断させる。制御部１０は、残りの演算処理の部分についてコンパイルを再度行ってコマンドを生成し、第２の量子演算ユニット３０に移行させる制御を行う。これにより、情報処理装置１は、誤り訂正を行わない第１の量子演算ユニット２０及び誤り訂正を行う第２の量子演算ユニット３０を組み合わせた演算処理を行うことができる。本開示の情報処理装置１について、図５を使用して詳細に説明する。
　なお、制御部１０は、第１の量子演算ユニット２０における誤り量等の演算処理の状況を見込んで演算処理の振り分けを行うこともできる。この場合、制御部１０は、コンパイルの際に第１の量子演算ユニット２０及び第２の量子演算ユニット３０のそれぞれのコマンドを生成する。その後、制御部１０は、生成したコマンドを第１の量子演算ユニット２０及び第２の量子演算ユニット３０に順に実行させる。この際、制御部１０は、第１の量子演算ユニット２０の演算処理の結果を第２の量子演算ユニット３０に移行させて残りの演算処理を実行させる制御を行う。
　図５は、本開示の第１の実施形態に係る情報処理装置の構成例を示す図である。同図は、図１と同様に、情報処理装置１の構成例を表すブロック図である。制御部１０が古典計算機１１及び論理／物理変換器１２を備える点で、図１の情報処理装置１と異なる。
　同図の古典計算機１１は、上述のコンパイルと第１の量子演算ユニット２０及び第２の量子演算ユニット３０の切替えの制御を行う。古典計算機１１は、コンパイルしたコマンドを第１の量子演算ユニット２０に実行させ、演算処理の状況に応じて第１の量子演算ユニット２０における処理を中断させる。次に、古典計算機１１は、中断させた処理の残りの部分について再度コンパイルを行ってコマンドを生成し、第２の量子演算ユニット３０に実行させることにより、処理を移行させる。この処理の移行の際、古典計算機１１は、第１の量子演算ユニット２０の演算結果を第２の量子演算ユニット３０に移す制御を更に行う。第２の量子演算ユニット３０は誤り訂正を行うため、古典計算機１１は、演算結果に誤り訂正符号を付加する制御を行う。
　なお、古典計算機１１は、図２の制御部１０と同様に、第１の量子演算ユニット２０における誤り量等の演算処理の状況を見込んで第１の量子演算ユニット２０及び第２の量子演算ユニット３０に振り分けた演算処理のコンパイルを行うこともできる。その後、古典計算機１１は、生成したコマンドを第１の量子演算ユニット２０及び第２の量子演算ユニット３０に順に実行させる。古典計算機１１は、第１の量子演算ユニット２０の演算処理の結果を第２の量子演算ユニット３０に移行させて残りの演算処理を実行させる制御を行う。
　上述のように、古典計算機１１は、第１の量子演算ユニット２０の処理状況に応じて第２の量子演算ユニット３０に処理を移行させる。この処理の移行の起因となる第１の量子演算ユニット２０の処理の状況には、例えば、第１の量子演算ユニット２０の演算処理における誤り量を採用することができる。前述のように、第１の量子演算ユニット２０は、演算に伴い誤りが蓄積する。この誤りが許容される範囲を超える前に、古典計算機１１は、演算処理を第２の量子演算ユニット３０に移行させる制御を行う。
　この誤り量には、積算された誤り量の見積り値を使用することができる。この誤り量は、例えば、処理時間（初期化からの経過時間）に基づいて算出することができる。また、誤り量は、例えば、１量子ビットゲート演算数に基づいて算出することもできる。また、誤り量は、例えば、２量子ビットゲート演算数に基づいて算出することもできる。誤り量をＣｏｐとすると、Ｃｏｐは次式により表すことができる。
　Ｃｏｐ＝ｆ（ｔ，Ｎｓ，Ｎｄ）＝ａ×ｔ＋ｒｓ×Ｎｓ＋ｒｄ×Ｎｄ
　ここで、ｔは処理時間を表す。Ｎｓは１量子ビットゲート演算数を表す。Ｎｄは２量子ビット演算数を表す。ａ、ｒｓ及びｒｄは係数を表す。なお、誤りには、量子状態の劣化も含まれる。
　古典計算機１１は、算出した誤り量を保持するレジスタ等を備え、第１の量子演算ユニット２０からの情報等に基づいて誤り量を更新する。この誤り量Ｃｏｐが所定の閾値Ｃｔｈを超える場合に、古典計算機１１は、第１の量子演算ユニット２０の演算を中断させて演算結果を待避させ、第２の量子演算ユニット３０に処理を移行させる。閾値Ｃｔｈには、解の精度、解を導くまでの所要時間、情報処理装置１の消費電力並びに第１の量子演算ユニット２０及び第２の量子演算ユニット３０の利用時間を平準化する指標により調整されたＣｔｈを使用することができる。また、これらを組み合わせたＣｔｈを使用することもできる。解の精度を向上させる場合には、Ｃｔｈを比較的小さい値に設定する。また、情報処理装置１の消費電力を低減させる場合には、Ｃｔｈを比較的大きな値に設定する。
　［情報処理方法］
　図６は、本開示の第１の実施形態に係る情報処理の処理手順の一例を示す図である。同図は、情報処理装置１の処理手順の一例を表す流れ図である。
　まず、第１の量子演算ユニット２０において演算処理である量子ゲート操作を行う（ステップＳ１００）。次に、制御部１０は、誤り量を更新する（ステップＳ１０１）。次に、制御部１０は、誤り量が閾値を超えるかを判断する（ステップＳ１０２）。その結果、誤り量が閾値を超えない場合には（ステップＳ１０２，Ｎｏ）、ステップＳ１００に戻り、制御部１０は、第１の量子演算ユニット２０に量子ゲート操作を継続させる（ステップＳ１００）。
　一方、ステップＳ１０２において、誤り量が閾値を超える場合には（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）、制御部１０は、第２の量子演算ユニット３０の処理に移行させる制御を行う。具体的には、制御部１０は、第１の量子演算ユニット２０の処理結果を誤り訂正符号領域にマッピングする（ステップＳ１０３）。
　次に、第２の量子演算ユニット３０が演算処理である量子ゲート操作及び誤り訂正処理を行う（ステップＳ１０４）。次に、制御部１０は、第２の量子演算ユニット３０の処理が終了したかを判断する（ステップＳ１０５）。処理が終了していない場合には（ステップＳ１０５，Ｎｏ）、ステップＳ１０４に戻り、制御部１０は、第２の量子演算ユニット３０に量子ゲート操作及び誤り訂正処理を継続させる（ステップＳ１０４）。
　一方、ステップＳ１０５において、処理が終了した場合には（ステップＳ１０５，Ｙｅｓ）、制御部１０は、演算結果の読出しを行い（ステップＳ１０６）、処理を終了する。以上の処理により、情報処理装置１の情報処理を行うことができる。
　同図の処理において、ステップＳ１００乃至ステップＳ１０２の処理をＮＩＳＱモードと称する。また、ステップＳ１０３の処理を移行モードと称する。また、ステップＳ１０４乃至ステップＳ１０６の処理をＦＴＱＣモードと称する。
　なお、前述の誤り量の算出において、処理時間ｔには、図６のステップＳ１０３の処理に要する時間を差し引いた時間を適用することができる。これは、ステップＳ１０３のマッピングの際にも誤りや量子状態の劣化が発生するためである。
　［処理の移行］
　図７Ａは、本開示の第１の実施形態に係る演算結果を移行する回路の一例を示す図である。同図は、第１の量子演算ユニット２０から第２の量子演算ユニット３０に処理結果を移行する回路の例を表したものである。同図の上側の回路が第２の量子演算ユニット３０の部分を表し、下側の回路が第１の量子演算ユニット２０の部分を表す。第１の量子演算ユニット２０の１量子ビットのデータが第２の量子演算ユニット３０のｑ０乃至ｑ４の５量子ビットの誤り符号付きのデータに変換される。移行は、誤り訂正符号にて使用する論理量子ビット情報と物理量子ビット情報の対応関係に従い、制御ユニタリゲート（Control-unitary　gate）やトフォリゲート（Toffoli　gate）を用いて各基底の振幅を第２の量子演算ユニット３０に移すことにより行うことができる。
　同図の回路により、第１の量子演算ユニット２０の処理結果を誤り訂正符号領域にマッピングすることができる。なお、同図の回路の代わりに、エンタングル状態にある複数の量子ビットを事前に共有しておき、量子通信（量子テレポーテーション）により量子状態を第１の量子演算ユニット２０から第２の量子演算ユニット３０に転送することもできる。
　図７Ｂは、誤り訂正符号をスタビライザ符号により表す場合の例を表したものである。ｑ０乃至ｑ４の５量子ビットの誤り符号付きのデータは、同図の表の５量子ビットのスタビライザにより表すことができる。同図の表の５量子ビットのスタビライザにより構成される対応関係は、同図の数式により表すことができる。
　このように、本開示の第１の実施形態の情報処理装置１は、第１の量子演算ユニット２０において誤り訂正を伴わない演算処理を行う。更に情報処理装置１は、この演算処理の誤り量を監視し、誤り量が許容範囲を超える前に第２の量子演算ユニット３０における処理に移行して誤り訂正を伴う演算処理を行う。これにより、第１の量子演算ユニット２０及び第２の量子演算ユニット３０を組み合わせた演算処理を行うことができる。
　（３．第２の実施形態）
　上述の第１の実施形態の情報処理装置１は、第１の量子演算ユニット２０の演算処理から第２の量子演算ユニット３０の演算処理に移行していた。これに対し、本開示の第２の実施形態の情報処理装置１は、第２の量子演算ユニット３０の演算処理から第１の量子演算ユニット２０の演算処理に移行する点で、上述の第１の実施形態と異なる。
　上述のように、本開示の第２の実施形態の情報処理装置１は、第２の量子演算ユニット３０の演算処理から第１の量子演算ユニット２０の演算処理に移行する。このため、情報処理装置１の制御部１０は、演算処理の第２の量子演算ユニット３０及び第１の量子演算ユニット２０への振り分けを行う。そして、制御部１０は、演算処理のコンパイルの際に、第２の量子演算ユニット３０における演算処理の終了を示すフラグを出力するコマンドを埋め込んでコンパイルを行う。なお、情報処理装置１の構成は、図５の情報処理装置１と同様であるため説明を省略する。
　［情報処理方法］
　図８は、本開示の第２の実施形態に係る情報処理の処理手順の一例を示す図である。同図は、図６と同様に、情報処理装置１の処理手順の一例を表す流れ図である。ＦＴＱＣモード及びＮＩＳＱモード及の順に処理を行う点で、図６の処理手順と異なる。
　まず、第２の量子演算ユニット３０において演算処理である量子ゲート操作及び誤り訂正処理を行う（ステップＳ１１０）。次に、制御部１０は、ＮＩＳＱモードに移行するかを判断する（ステップＳ１１１）。これは、第２の量子演算ユニット３０からのフラグを検出することにより行うことができる。ＮＩＳＱモードに移行しない場合（ステップＳ１１１，Ｎｏ）、ステップＳ１１０に戻り、制御部１０は、第２の量子演算ユニット３０に量子ゲート操作及び誤り訂正処理を継続させる（ステップＳ１１０）。
　一方、ステップＳ１１１において、ＮＩＳＱモードに移行する場合には（ステップＳ１１１，Ｙｅｓ）、第１の量子演算ユニット２０の処理に移行させる制御を行う。具体的には、制御部１０は、第２の量子演算ユニット３０の処理結果をＮＩＳＱ領域にマッピングする（ステップＳ１１２）。
　次に、第１の量子演算ユニット２０が演算処理である量子ゲート操作を行う（ステップＳ１１３）。次に、制御部１０は、誤り量が閾値を超えるかを判断する（ステップＳ１１４）。その結果、誤り量が閾値を超えない場合には（ステップＳ１１４，Ｎｏ）、ステップＳ１１５の処理に移行する。ステップＳ１１５において、制御部１０は、第１の量子演算ユニット２０の処理が終了したかを判断する（ステップＳ１１５）。処理が終了していない場合には（ステップＳ１１５，Ｎｏ）、ステップＳ１１３に戻り、制御部１０は、第１の量子演算ユニット２０に量子ゲート操作を継続させる（ステップＳ１１３）。
　一方、ステップＳ１１５において、処理が終了した場合には（ステップＳ１１５，Ｙｅｓ）、制御部１０は、ステップＳ１１６の処理に移行する。
　一方、ステップＳ１１４において、誤り量が閾値を超える場合には（ステップＳ１１４，Ｙｅｓ）、制御部１０は、ステップＳ１１６の処理に移行する。
　ステップＳ１１６において、制御部１０は、演算結果の読出しを行い（ステップＳ１１６）、処理を終了する。以上の処理により、情報処理装置１の情報処理を行うことができる。なお、同図のステップＳ１１４の処理を省略することもできる。
　同図の処理においては、ステップＳ１１０乃至ステップＳ１１２の処理がＦＴＱＣモードに該当する。また、ステップＳ１１２の処理が移行モードに該当する。また、ステップＳ１１３乃至ステップＳ１１６の処理がＮＩＳＱモードに該当する。
　［処理の移行］
　図９は、本開示の第２の実施形態に係る演算結果を移行する回路の一例を示す図である。同図は、第２の量子演算ユニット３０から第１の量子演算ユニット２０に処理結果を移行する回路の例を表したものである。図７Ａと同様に、同図の上側の回路が第２の量子演算ユニット３０の部分を表し、下側の回路が第１の量子演算ユニット２０の部分を表す。第２の量子演算ユニット３０は、多量子ビットで構成される状態の線形和によって論理状態が示される。演算結果の移行は、適当な基底変換を行った後にマルチトフォリゲート（multi　Toffoli　gate）演算を行うことにより、第１の量子演算ユニット２０のデータに変換することができる。
　同図の回路により、誤り訂正符号を含む第２の量子演算ユニット３０の処理結果を第１の量子演算ユニット２０の領域にマッピングすることができる。
　なお、情報処理装置１は、最初にＦＴＱＣモードを選択してＮＩＳＱモードに移行する処理（図８の処理手順）と最初にＮＩＳＱモードを選択してＦＴＱＣモードに移行する処理（図６の処理手順）とを選択して実行することもできる。また、情報処理装置１は、ＮＩＳＱモード及びＦＴＱＣモードを交互に複数回行うこともできる。
　これ以外の情報処理装置１の構成は本開示の第１の実施形態における情報処理装置１の構成と同様であるため、説明を省略する。
　このように、本開示の第２の実施形態の情報処理装置１は、第２の量子演算ユニット３０から第１の量子演算ユニット２０に演算処理を移行させる。
　（４．第３の実施形態）
　上述の第１の実施形態の情報処理装置１は、第２の量子演算ユニット３０において誤り訂正処理を行っていた。これに対し、本開示の第３の実施形態の情報処理装置１は、誤り訂正のための符号化距離を調整する点で、上述の第１の実施形態と異なる。
　［情報処理装置の構成］
　図１０は、本開示の第３の実施形態に係る情報処理装置の概略の構成例を示す図である。同図は、図５と同様に、情報処理装置１の構成例を表すブロック図である。同図の制御部１０は誤り率検出部１３を更に備え、ＮＩＳＱモード及びＦＴＱＣモードを交互に複数回実行する制御を行う点で、図５の情報処理装置１と異なる。
　誤り率検出部１３は、第２の量子演算ユニット３０の演算処理における誤り率を検出して保持するものである。同図の古典計算機１１は、誤り率検出部１３に保持される誤り率に基づいて、符号化距離を調整する制御を更に行う。
　同図の情報処理装置１においては、ＮＩＳＱモード及びＦＴＱＣモードの相互の遷移が複数回行われるため、誤り訂正符号化が複数回行われることとなる。この複数の誤り訂正符号化において符号距離を調整することができる。例えば、想定よりも誤り訂正の頻度が少なく、系のエラーレートが小さい場合には、より符号化距離が小さい符号を選択することができる。これにより、量子ビットの数や誤り訂正符号化に要する演算を削減することができる。また、誤り訂正の頻度が想定より高い場合には、符号化距離を大きくして誤り訂正能力を向上させることができる。
　［情報処理方法］
　図１１は、本開示の第３の実施形態に係る情報処理の処理手順の一例を示す図である。同図は、図６と同様に、情報処理装置１の処理手順の一例を表す流れ図である。
　まず、制御部１０は、ＮＩＳＱモードを実行する（ステップＳ１５１）。次に、制御部１０は、移行モードを実行する（ステップＳ１５２）。この移行モードにおいて、制御部１０は、符号化距離ａの誤り訂正符号化を行う。次に、制御部１０は、ＦＴＱＣモードを実行する（ステップＳ１５３）。
　制御部１０は、ＮＩＳＱモード及びＦＴＱＣモードを交互に実行する。その際、制御部１０は、誤り率検出部１３の検出結果に基づいて符号化距離を調整し、符号化距離ｂを生成する。
　次に、制御部１０は、ＮＩＳＱモードを実行し（ステップＳ１５４）、移行モードを実行する（ステップＳ１５５）。この移行モードにおいて、制御部１０は、符号化距離ｂの誤り訂正符号化を行う。次に、制御部１０は、ＦＴＱＣモードを実行する（ステップＳ１５６）。以上の処理により、情報処理装置１の情報処理を行うことができる。
　これ以外の情報処理装置１の構成は本開示の第１の実施形態における情報処理装置１の構成と同様であるため、説明を省略する。
　このように、本開示の第３の実施形態の情報処理装置１は、ＮＩＳＱモード及びＦＴＱＣモードを複数回行い、誤り訂正符号化の際に符号化距離を調整する。これにより、誤り訂正符号化の処理を最適化することができる。
　（５．変形例）
　［情報処理装置の構成］
　図１２は、本開示の実施形態の変形例に係る情報処理装置の構成例を示す図である。同図は、情報処理装置の構成例を表すブロック図である。同図の情報処理装置４は、ｎ個の情報処理装置（情報処理装置１ａ乃至１ｂ）と、ｎ個の古典計算機（古典計算機２ａ乃至２ｂ）と、仮想化層３とを備える。この仮想化層３は、第１の量子演算ユニット２０及び第２の量子演算ユニット３０の割り振りを行う複数の情報処理装置を仮想化するものである。
　なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また他の効果があってもよい。
　なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
　量子ビットを備え、量子演算を行う第１の量子演算ユニットと、
　量子ビットを備え、誤り訂正を伴う量子演算を行う第２の量子演算ユニットと、
　前記第１の量子演算ユニットに演算処理を行わせるとともに、前記第１の量子演算ユニットの演算処理における誤り量に基づいて前記演算処理を前記第２の量子演算ユニットに移行させる制御を行う制御部と
　を有する情報処理装置。
（２）
　前記制御部は、前記演算処理の処理時間に応じた前記誤り量に基づいて前記演算処理を前記第２の量子演算ユニットに移行させる制御を行う前記（１）に記載の情報処理装置。
（３）
　前記制御部は、前記演算処理における１量子ビットゲート演算数に応じた前記誤り量に基づいて前記演算処理を前記第２の量子演算ユニットに移行させる制御を行う前記（１）に記載の情報処理装置。
（４）
　前記制御部は、前記演算処理における２量子ビットゲート演算数に応じた前記誤り量に基づいて前記演算処理を前記第２の量子演算ユニットに移行させる制御を行う前記（１）に記載の情報処理装置。
（５）
　前記制御部は、前記第２の量子演算ユニットを選択して前記演算処理を行わせた後に前記演算処理を前記第１の量子演算ユニットに移行させる制御を更に行う前記（１）から（４）の何れかに記載の情報処理装置。
（６）
　前記制御部は、前記第２の量子演算ユニットに移行させた前記演算処理を前記第１の量子演算ユニットに再度移行させる制御を更に行う前記（１）から（５）の何れかに記載の情報処理装置。
（７）
　前記制御部は、前記第２の量子演算ユニットにおける前記誤り訂正のための符号化距離を調整する前記（１）から（６）の何れかに記載の情報処理装置。
　１、１ａ、１ｂ、４　情報処理装置
　２ａ、２ｂ、１１　古典計算機
　１０　制御部
　１３　誤り率検出部
　２０　第１の量子演算ユニット
　３０　第２の量子演算ユニット

Claims (7)

  1. 　量子ビットを備え、量子演算を行う第１の量子演算ユニットと、
    　量子ビットを備え、誤り訂正を伴う量子演算を行う第２の量子演算ユニットと、
    　前記第１の量子演算ユニットに演算処理を行わせるとともに、前記第１の量子演算ユニットの演算処理における誤り量に基づいて前記演算処理を前記第２の量子演算ユニットに移行させる制御を行う制御部と
    　を有する情報処理装置。
  2. 　前記制御部は、前記演算処理の処理時間に応じた前記誤り量に基づいて前記演算処理を前記第２の量子演算ユニットに移行させる制御を行う請求項１に記載の情報処理装置。
  3. 　前記制御部は、前記演算処理における１量子ビットゲート演算数に応じた前記誤り量に基づいて前記演算処理を前記第２の量子演算ユニットに移行させる制御を行う請求項１に記載の情報処理装置。
  4. 　前記制御部は、前記演算処理における２量子ビットゲート演算数に応じた前記誤り量に基づいて前記演算処理を前記第２の量子演算ユニットに移行させる制御を行う請求項１に記載の情報処理装置。
  5. 　前記制御部は、前記第２の量子演算ユニットを選択して前記演算処理を行わせた後に前記演算処理を前記第１の量子演算ユニットに移行させる制御を更に行う請求項１に記載の情報処理装置。
  6. 　前記制御部は、前記第２の量子演算ユニットに移行させた前記演算処理を前記第１の量子演算ユニットに再度移行させる制御を更に行う請求項１に記載の情報処理装置。
  7. 　前記制御部は、前記第２の量子演算ユニットにおける前記誤り訂正のための符号化距離を調整する請求項１に記載の情報処理装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009260882A (ja) * 2008-04-21 2009-11-05 Sumitomo Electric Ind Ltd 復号化装置及び光通信システムの宅内装置
CN111510157A (zh) * 2020-04-15 2020-08-07 腾讯科技（深圳）有限公司 基于神经网络的量子纠错解码方法、装置及芯片

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