研究チームでは以下のようなテーマに取り組んでいます。以下の枠組みに収まらないものでも、実用的な量子計算機の開発に寄与する幅広いテーマを歓迎します。
論文や講演の全リストは出版論文を、学生の方へ向けた説明は学生の方へのページをご参照ください。
計算機アーキテクチャ
概要
現代の計算機やそのインターフェイスは高い性能と汎用性を保ちながら複雑なタスクを処理できるよう緻密に設計されています。しかし、現代の量子計算機の研究では量子デバイスのモデリングの難しさや量子誤り訂正理論の複雑さから、具体的な命令セットや内部ロジックも確立されておらず、性能予測や最適化なども抽象的な理論の範疇で議論されることが殆どです。また、実機の設計も2020年頃までは実装可能な量子系の規模が小さかったこともあり、すべての自由度を制御できる素朴なシステムで実装に大きな問題は生じませんでした。一方、実用化を目指し量子デバイスの大規模化が進む現在では、どのように量子系を計算機としてくみ上げるかという問題は、拡張性を制約する重要な課題となっています。私たちはこうした理論と実装のギャップを埋めるため、高い性能に加えて信頼性、汎用性、デバッグ性、拡張性といったいわゆる「計算機」に期待される特性を備えた量子計算機システムについて研究しています。具体的には、量子誤り訂正機構やその動作を踏まえた計算機アーキテクチャの設計、現代の計算機の考え方を活用した量子計算機の効率化、量子計算機間の誤りに耐性のある通信を活用した拡張性の高い計算機の設計など、複雑で高性能なシステムを見通し良く構築するためのトピックを探究しています。また、Q-LEAPやムーンショットといった国プロにおいて、長期的な量子計算機の発展を見据えたシステムの設計と開発も行っています。
これまでの研究例
- 誤り推定機構の実装：量子エラー推定を実時間で行う回路の設計や性能見積もりを行いました。
DAC2021 HPCA2022 VLSISymp2024 - 誤り推定機構の設計：量子エラー訂正をより高速、高精度に行う手法を提案しました。
PRR2020 arxiv2025 arxiv2025 - リソース推定とボトルネック抽出：量子計算機の実行時間を予測し、さらにこれに基づきボトルネックの抽出と設計の最適化を行いました。
npjQI2024 arxiv2024 - ロードストア設計：量子計算機のメモリとプロセッサを分離し、汎用性の高い命令セットの提示と、効率に優れたメモリ領域を実現しました。
HPCA2025 - インターコネクト：二次元の量子ビットアレイに対し、誤り率の高い通信から信頼性の高い通信を構成する機構を設計しました。
PRR2026 - 分散ネットワーク：量子もつれの生成を適切に多重化することで、クリティカルパスから通信時間を隠ぺいするテクニックを提案しました。
arxiv2026
プログラミングとコンパイル
概要
既存の量子計算のプログラムはしばしば量子回路といった低レベルな表現で記述されます。これは小規模な量子計算においては見やすく簡潔な記述ですが、スパコンより高速な誤り耐性量子計算機の実現を目指すうえでは様々な困難や不便が生じます。現在では誤り耐性量子計算機の命令セットやそれに紐づく標準的なコンパイラが確立されていないために、プログラムを記述する際にどのような最適化を手動または自動で行うべきかや、誤り耐性量子計算機の実効的な性能を端的に表すベンチマークも不透明です。私たちはスパコンにおいてアプリケーションのピーク性能を引き出すために行われるプログラミングの考え方や方法論を量子計算において実現すべく、コンパイラ、デバッガ、プロファイラ、シミュレータといったシステムソフトウェアは量子計算においてどのようにあるべきかの探索を行っています。こうしたソフトウェアの枠組みをベースに量子計算機の性能を最大限引き出すための問題を数理的な問題に体系化し、アルゴリズムやデータ構造を駆使してプログラムの最適化や検証を行います。また、こうしたシステムソフトウェアを通してアプリケーションが計算機に求める性能は何なのかを明らかにすることで、量子計算をどのような性能のバランスで設計するべきかを明らかにします。
これまでの研究例
- 大きな命令の分解：抽象的なプログラムの命令を、現実のデバイスで実行可能な誤り耐性のある基本演算に分解し効率的に実行する枠組みを提案しました。
arxiv2024 - 誤差を考慮した最適化：計算機に複数のプログラムを与えて統計的な処理をすることで、計算機に変更を加えることなしにT-gateを削減したりエラー推定失敗率を削減しました。
PRXQ2022 npjQI2025 - プログラムの検証：誤り耐性量子計算機の論理命令が実機配置後も安全に実行が可能であることを高速に検証する手法を提案しました。
APLAS2024 QCE2024 - プログラムの並列化：位相推定のサブルーチンを小さなオーバーヘッドで並列化し、並列化効率が飽和するまで実効的なスループットを改善しました。
npjQI2024 - ジョブスケジューリング：誤り耐性量子計算機の仕組みを背景とした、効率的なジョブスケジューリングの手法を提案しています。
QCE2025
大規模な量子デバイス制御
概要
量子計算機を実現するために、超伝導、中性原子、光、イオン、半導体といった様々な量子デバイスが量子情報を保持する媒体として提案され、今では100量子ビットを超える規模の実験が可能になりました。一方、実用的な量子計算を行うには少なくとも数万を超える量子ビットを現在と同じ精度で数時間以上制御する必要があるとされています。このような大規模な量子デバイスを長時間動かすと、小規模な物理実験では課題にならなかった特性のばらつきや時間的な特性の変化が拡大を阻害する主要因として現れます。私たちは物理実験の研究者と密に連携し、時には現実のデバイスを直接制御しながら、背景となる物理系の利点を生かし欠点をカバーする計算機システムの設計に取り組んでいます。具体的には実験における理論との乖離を計算機の設計課題としてモデリングし、これに計算機の観点からアプローチすることで将来の大規模化における課題を解消します。また、得られたアイデアを取り込むことで、量子デバイスを現実的な時間とコストで制御するためのソフトウェアや、提案した設計を評価するためのテストベンチの開発にも取り組みます。
これまでの研究例
- エラー率の変動への対応：バーストエラーなどのエラー率の変動をエラー推定機構から非破壊に検知し動的にエラー訂正手法を変更する機構を提案しました。
MICRO2022 - ばらつきへの対応：量子ビットの特性のばらつきを圧縮されたテーブルに保管することで、ばらつきを考慮した高速なエラー推定をFPGA上で可能にしました。
ASPDAC2023 - リークエラーの影響評価：量子ビットが計算空間から離脱するリークエラーについて、その影響の評価を行いました。
NJP2025 - コヒーレントエラーの影響評価：量子ビットがコヒーレントに回転するエラーの影響を効率的に評価する方法を提案しました。
PRL2017 - 消失エラーの緩和：光のようなエラー発生時に消失するエラーの情報を用いて、エラー推定の精度や速度を改善しました。
arxiv2025
システムやソフトウェアの開発
概要
量子計算機を開発し動かすには、多様なソフトウェアが必要となります。また、量子計算機を多様なドメインで利用可能にし、利用を通して具体的な経済的価値を生み出せるようにするためにも、ソフトウェアの力は欠かすことができません。私たちのチームではこうした量子計算機の開発を加速し価値を高めるためのソフトウェア開発に取り組んでいます。こうしたソフトウェアは適切に設計され、高い拡張性と再利用性を持ち、適切なライセンスのもとで管理される必要があります。現代の量子計算機開発では、「現在の量子コンピュータを最大限活用するボトムアップでの取り組み」と「実用規模のシステムを予測しそこから逆算して必要なシステムを構成するトップダウンでの取り組み」の２つが並行して進んでいます。前者では頻繁な技術のアップデートへの円滑な対応が求められる一方で、後者では技術的な変動に対応できる疎結合なシステムと高い互換性が求められます。こうした技術やアーキテクチャの目的およびライフサイクルに応じて、適切な抽象度と汎用性でソフトウェアおよびドキュメント資産を効率的に蓄積・洗練する方法論の体系化にも取り組みます。
これまでの取り組みの例
- 量子回路シミュレータ: 高速に量子回路をシミュレーションするソフトウェアQulacsを開発しました。主要ゲートに対するSIMD命令による最適化や、完全正値写像やインストゥルメントといった研究で必要となる一般的操作のサポート、様々なレベルのゲート合成による高速化などを行っています。
Quantum2021 github - 超伝導量子ビット計測ツール: 超伝導量子ビットの計測において、量子回路やハミルトニアンダイナミクスのような抽象的なレイヤと、局所発振器や任意波形生成器などからなるアナログな制御装置のレイヤを切り分け、汎用性の高い計測を可能にするインフラを構築しました。また、自動化された量子ビットのキャリブレーションなどを行うソフトウェアを構築しました。現在は量子誤り訂正の実験を可能にするための新たなライブラリを開発しています。
release github - 誤り耐性量子計算機のツールチェイン: 実用規模のFTQCのプログラムを記述し評価するツールチェインQurationを開発しました。LLVMを参考に構成された簡潔な中間表現を用いてプログラムを記述しFTQCの命令セットにプログラムを翻訳するコンパイラ、得られたプログラムの実行時間を予測するプロファイラ、実行時のメモリ状況を可視化するビジュアライザなどを構築しました。
github