STARアーキテクチャver3を発表しました 。STAR(space time efficient analog rotation)と魔法状態栽培を突然変異させることで、位相回転ゲートのエラー率を数桁低減し、これまでSTARアーキテクチャでは難しかったで複雑な分子のシミュレーションを小規模の量子コンピュータでも現実的な時間で可能にしました。富士通さんと阪大の共同研究です。 arxiv.org/abs/2603.22891 STARアーキテクチャは2023年にNISQとFTQCの間を埋めるアーキテクチャとして提案した。NISQの課題は見えつつもいきなり100万量子ビットって具体性をもって目指せない。当時はFTQCはほとんど蒸留マシンだったし。 1つ作るにでも大変なTゲート(万能計算に必要な基本ゲート)をわんさか使って量子ビットちょびっとしか回せないなんて辛いなーということで、エラー耐性のないアナログ位相回転を基本ゲートセット入れるという大胆な戦略に出た。これがSTAR ver1で、位相回転ゲートのエラー率でできる計算が制限される。古典コンピュータでシミュレーションできない規模の計算はできるが具体的なプリケーションにつながる性能では今から思うとなかった。 しかし、STAR ver2では位相回転ゲートのエラーが大幅に改善された。これは同時期に出た、物理微小回転から論理微小回転を作る手法を利用・改良している。この結果、微小回転ゲートのエラー確率が回転角と物理エラー率の積θpになるようになった。量子シミュレーションなどのアプリケーションでは微小回転ゲートがたくさん出てくる。回転角は10^-3とか10^-4とかなので、実質、論理量子ビットの微小回転ゲートのエラーが数桁落ちるという画期的なアプローチになり、ハバード模型という具体的なプリケーションのリソースが見積もれるようになった。 しかしこれでも、より複雑なハミルトニアンである量子化学(分子のエネルギー計算)には届かなかった。ハミルトニアンに出てくる項が多く、係数の値も大きいので、微小回転ゲートの数が爆発的に増えるからだ。 そこでさらに微小回転ゲートの精度を上げれないか。実は微小回転ゲートのためのリソース状態はもっといい精度で作れている。θ^2pのエラー確率で作れるものの、ゲートテレポーテーションで回転ゲートを実行する時に測定結果のランダム性によって逆回転になってしまう補正のためにエラーが積もり、θpになってしまうのだった。典型的には2ステップで補正できるものの運が悪いと何ステップも必要になる。さらにステップごとに2倍づつ回転角が大きくなる。回転角が大きくなると微小回転に強いこの手法は不利になるのだ。 この運悪く失敗が続くというレアケースを今回、最近コストが下がってきたTゲートのための魔法状態蒸留、魔法状態栽培にエスケープするという戦略をとったのがSTAR magic mutation、STARアーキテクチャのVer 3です。この結果、本来のθ^2pのスケーリングが復活し、さらに数桁微小回転ゲートのエラー率が下がった。単に微小回転ゲートとTゲートを使い分けましょうみたいな安直な話ではなく、エラーのスケーリングが本質的に変更される。しかも、魔法状態栽培が呼び出されるのはレアケースでコストは平均的にはほとんど効いてこない。さらには、本来魔法状態栽培だけでTゲートの精度が足りず計算できなかった領域も、微小回転ゲートで直接実行することでカバーができるようにもなった。 この結果、古典コンピュータでは難しい規模の分子の時間発展シミュレーションもSTARアーキテクチャでカバーできるようになった。正直、STAR ver1の段階でここまでの発展が潜んでいるとは予想だにしなかった。大きな方向性を大胆に決め、優秀な人たちが集まり知恵を出し合えば大きなブレイクスルーが起きるというのを目の当たりにした感じだ。最初の位相回転ゲートを基本ゲートセットにするというver1の基本的なアイデアこそ私から提案したものだが、その具現化、ver2、ver3への発展は富士通の量子チームの若手研究者との共同研究の賜物です。