大阪大学大学院教授・藤井啓祐氏に聞く
（２）ノイズ制御が量子コンピューターを制する──量子誤り訂正とNISQ最前線
量子コンピューターの実用化には、量子ビットの「重ね合わせ状態」を維持する“ノイズ制御”が課題となっている。それはどのような方法で解決できるのか、超伝導量子ビットからNISQ、量子誤り訂正まで、イノベーションの方向性について伺った。
藤井 啓祐（ふじい けいすけ）
大阪大学大学院基礎工学研究科システム創成専攻教授。大阪大学量子情報・量子生命研究センター副センター長。
2011年3月京都大学大学院工学研究科博士課程修了。博士（工学）。理化学研究所量子コンピュータ研究センター量子計算理論研究チームチームリーダー、東京大学工学系研究科物理工学専攻客員教授、情報処理推進機構（IPA）未踏ターゲット事業プログラムマネージャー、量子技術の普及のための一般社団法人 Quantum Research Institute 理事を兼任。量子コンピュータのソフトウェアベンチャー、株式会社QunaSys、最高技術顧問。
専門分野は量子情報、量子コンピューティング。特に、量子誤り訂正、誤り耐性量子計算、測定型量子計算、量子計算複雑性、量子機械学習。著書に『驚異の量子コンピュータ：宇宙最強マシンへの挑戦』（岩波科学ライブラリー) など。
目次
- 超伝導量子ビット研究の歴史と民間主導化
- 量子ビットの精度を左右するノイズ制御手法
- 量子誤り訂正付き大規模マシンのロードマップ
- 汎用量子ゲート方式 vs. 特化アニーリング方式
- 量子コンピューター開発レースの現在地
超伝導量子ビット研究の歴史と民間主導化
桐原 エンジニアリングの進化で言うと、第３次産業革命ぐらいまでは富国強兵的に国が主導でイノベーション起こしてきた歴史があります。分かりやすく言うと、戦争のために純粋科学を工学化してきた部分があります。しかし、量子コンピューターに関して言えば、民間企業が主導している印象を受けるのですが──。
藤井 2014年まではジョン・マルティニスはカリフォルニア大学にいましたし、その前には国の研究機関に在籍していました。そういう意味では、アメリカでも2014年までは国や大学が主導していたという見方もできます。むしろ日本のほうが民間主導で研究を進めてきたと言えます。1999年、当時NECの研究所に所属していた蔡兆申（ツァイ・ツァオシェン）氏1と中村泰信氏2が世界で初めて超伝導回路による量子ビットを実現しました。あの当時の日本の企業の基礎研究力は半端なかったと思います。半導体で大きな利益を出していた時代は、アメリカから「基礎研究にただ乗りしている」と文句を言われました。基礎研究はアメリカがやって、それを“カイゼン”して安価につくることで日本製品が世界を席巻したわけです。「君たちもゼロからつくりなさい。基礎研究にただ乗りするな」と怒られて、各企業が研究所をつくってお金にならない基礎研究をスタートし、その結果、生まれたのが超伝導量子ビットです。それが1999年です。Googleが創業したのはその前年です。創業１年目のGoogleには、当然量子コンピューターなんてキーワードはなくて、検索エンジンに注力していました。そのGoogleが、ある意味で量子コンピューターに関する基礎研究にただ乗りして、2014年にエンジニアリング・フェーズに入ったトップのサイエンティストグループを丸ごと抱え込んで、ただ乗りして世界のトップに立っているという状況です。
桐原 なるほど、おもしろいですね。因果応報というか。
藤井 そうそう。逆パターンになっているんです。
量子ビットの精度を左右するノイズ制御手法
桐原 量子コンピューターの継続的なイノベーションを考えたときにポイントになるのは、取り扱うビット数が増えていくとか、スピードが上がっていくとかということですか。
藤井 スピードが上がるということは恐らくないと思います。というのも、量子コンピューターそのものの単位スピードは物理的な限界で決まっていますから。むしろ量子ビットの数と精度が進化のポイントになってきます。
桐原 量子ビットの精度とは具体的に何を指すのでしょうか。
藤井 エラーレートを下げていくということです。現在の量子コンピューターの基本素子である量子ビットはノイズに弱く、計算中にエラーが起きやすいのです。量子コンピューターは、現在、最高性能の量子ビットでも、数千回に1回程度はエラーを起こします。たとえば50量子ビットの量子コンピューターでエラー確率が0.1%で、合計1000ステップの計算をしたら、約63%の確率でどこかでエラーが起き、半分以上は正しい答えを得ることができません。
桐原 量子ビットはノイズに弱いということですが、ノイズとはどういうものとして想像したらいいのでしょうか。
藤井 ノイズによって「量子性を失う」というふうに考えていただいたらいいです。量子コンピューターは、量子ビットの重ね合わせ状態をうまくキープして計算しないといけないのですが、重ね合わせ状態は、少しでものぞき見たら壊れるんですね。「鶴の恩返し」みたいなもので、扉を閉めている状態のときには鶴か女の人か分からない重ね合わせ状態になっているのですが、扉を開けた瞬間に、鶴か女の人かどっちか決まってしまいます。
桐原 「収縮」ですね。
藤井 波動関数の収縮（collapse）ですね。つまり量子状態が壊れてしまう。のぞき見ると必ず壊れるのですね。見なければいいじゃないかと思うかもしれませんが、ノイズと呼んでいる周りにある不純物や電磁波とかが覗いてしまう。それがノイズです。だから扉を開けようと思っていないのに開いてしまって、その結果、鶴なのか女の人なのかどっちかに決まってしまうのです。
桐原 なるほど。意図してなかったのに、風が吹いてきて扉が開いてしまうようなものですね。
藤井 それで量子状態がぼこぼこ壊れてしまうわけです。量子状態の重ね合わせをフルに使っての計算が実現できていないのが今の量子コンピューターです。
