Published: 2025-03-04 13:12
NTTら、量子コンピュータに"ロードストア型"の新アーキテクチャ
東京大学、NTT、理化学研究所、九州大学の研究員で構成される研究グループは、従来の計算機の基本設計であるロードストア型計算機の考え方を量子計算機に適用した、新たな誤り耐性量子計算のアーキテクチャを提案した。プログラムの高い移植性(他の環境への移行のしやすさ)と高効率な量子ハードウェアの活用を可能とするもので、有用な量子計算の早期実現を加速することが期待されるという。
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従来の量子コンピュータは「量子回路型」と呼ばれる方式で設計されてきた。この方式では全ての量子的なデータが計算可能なレジスタ領域(記憶装置)に保持され、プログラムは量子回路という形式で表現され、それに従い実行される。この方式には直感的に理解しやすいなどの利点はあるが、計算機を拡張する場合、コンピュータ自体のサイズが大きくなってしまうという課題があった。また、プログラムが計算機を構成するデバイスのサイズや誤り訂正方式に特化して最適化されるため、計算機の設計が変化すると、実行ファイルの計算機間での移植が困難になるという問題もある。
例えば、誤り耐性量子計算として主流な方式である二次元的に並べられた量子ビットを用いて計算を行なう方式では、表面符号と呼ばれる量子誤り訂正符号で符号化されたブロックをデータの単位として計算を行なう。
この際、量子回路型の演算方式に基づいて、全ての符号ブロックで任意の計算を行なえるようにするには、データを保持するセルごとに計算を補助するための追加の符号ブロックを隣接させる必要がある。この補助的なセルはデータ保持に使えないため、実際にメモリに利用される割合は典型的には44%、高いものでも67%が限界だった。この実効メモリ利用率の低さはデバイスの大規模化を困難にしている主要原因の一つとされる。
今回の研究成果では、こうした現代の量子計算機が抱える問題を解決するロードストア型の量子計算機アーキテクチャを提案。ロードストア型のアーキテクチャとは、計算機をメモリとプロセッサに分けてデータをやり取りしながら計算を行なう方式で、現代のコンピュータで標準的に用いられているアーキテクチャになる。
データの移動が「ロード」と「ストア」という二つの抽象化された命令でやり取りされるため、具体的なプロセッサやメモリのデバイス構造に依存しない移植性の高い形でプログラムを構築できる。また、メモリはデータを保持する機能しか要求されないため高いメモリ利用率も実現可能。これにより従来の量子コンピュータと比較して計算時間の増加を約3%に軽減しつつ、必要なハードウェアの規模を約40%削減できるようになる。
今回の成果により、従来の計算機アーキテクチャ分野におけるロードストア型やキャッシュなどの考え方が、量子コンピュータ分野でも有効であることが証明されたという。
本研究では東京大学とNTTがロードストア型のアーキテクチャを導入する枠組みの提案と性能の数値的な評価、九州大学と理化学研究所が計算機システムとしてロードストア型の機能や命令セットの整備と評価手法の緻密化を担当した。
| # | 言葉 | 意味 |
|---|---|---|
| 12 | 計算機 | けいさんき (計算機) : 1. calculator 2. computer |
| 12 | 量子 | りょうし (量子) : quantum |
| 10 | 計算 | けいさん (計算) : 1. calculation; reckoning; count 2. forecast |
| 8 | 型 | かた (型) : 1. model; type (e.g. of machine, goods, etc.) 2. type; style; pattern |
| 8 | 方式 | ほうしき (方式) : form; method; system; formula |
| 4 | 従来 | じゅうらい (従来) : 1. up to now; so far 2. traditional; conventional; usual; existing |
| 4 | 保持 | ほじ (保持) : retention; maintenance; preservation |
| 4 | 符号 | ふごう (符号) : 1. sign; mark; symbol; code 2. sign (e.g. positive, negative) |
| 3 | 提案 | ていあん (提案) : proposal; proposition; suggestion |
| 3 | 可能 | かのう (可能) : possible; potential; practicable; feasible |
| 3 | 量子コンピュータ | りょうしコンピュータ (量子コンピュータ) : quantum computer |
| 3 | 回路 | かいろ (回路) : 1. circuit (electric) 2. cycle (e.g. Krebs cycle) |
| 3 | 的 | てき (的) : 1. -ical; -ive; -al; -ic; -y 2. -like; -ish; -sort of; -kind of |
| 3 | 行なう | おこなう (行う) : to perform; to do; to conduct oneself; to carry out |
| 2 | 東京大学 | とうきょうだいがく (東京大学) : Tokyo University (organization) |
| 2 | 理化学研究所 | りかがくけんきゅうじょ (理化学研究所) : Rikagakukenkyuujo (place) |
| 2 | 九州大学 | きゅうしゅうだいがく (九州大学) : Kyuushuu University (organization) |
| 2 | 構成 | こうせい (構成) : composition; construction; formation; makeup; structure; organization; organisation |
| 2 | 考え方 | かんがえかた (考え方) : way of thinking |
| 2 | 誤り | あやまり (誤り) : error; mistake; slip; bug |
| 2 | 耐性 | たいせい (耐性) : resistance (e.g. to antibiotics); tolerance (e.g. drug tolerance) |
| 2 | 移植性 | いしょくせい (移植性) : portability |
| 2 | 実現 | じつげん (実現) : implementation (e.g. of a system); materialization; materialisation; realization; realisation; actualization; actualisation |
| 2 | 呼ぶ | よぶ (呼ぶ) : 1. to call out (to); to call; to invoke 2. to summon (a doctor, etc.) |
| 2 | 設計 | せっけい (設計) : plan; design; layout |
| 2 | 全て | すべて (全て) : 1. everything; all; the whole 2. entirely; completely; wholly; all |
| 2 | 誤り訂正 | あやまりていせい (誤り訂正) : error correction |
| 2 | 困難 | こんなん (困難) : 1. difficulty; hardship; trouble; distress 2. infeasibility; inability (to carry out) |
| 2 | 用いる | もちいる (用いる) : to use; to make use of; to utilize; to utilise |
| 2 | 補助 | ほじょ (補助) : 1. assistance; support; aid; help 2. subsidy; supplement; subvention; grant-in-aid |
| 2 | 率 | りつ (率) : rate; ratio; proportion; percentage |
| 2 | 今回 | こんかい (今回) : this time; now |
| 2 | 成果 | せいか (成果) : (good) result; outcome; fruits (of one's labors); product; accomplishment |
| 2 | 現代 | げんだい (現代) : nowadays; modern era; modern times; present-day |
| 2 | やり取り | やりとり (やり取り) : giving and taking; exchange (of letters); arguing back and forth; (conversational) exchange |
| 2 | 機能 | きのう (機能) : function; facility; faculty; feature |
| 2 | 約 | やく (約) : 1. approximately; about 2. promise; appointment; engagement |
| 2 | 分野 | ぶんや (分野) : field; sphere; realm; division; branch |
| 2 | 評価 | ひょうか (評価) : 1. valuation; appraisal; evaluation; assessment; estimation; rating; judging 2. appreciation; recognition; acknowledgement; rating highly; praising |
| 1 | 研究員 | けんきゅういん (研究員) : researcher; lab worker |
| 1 | 研究グループ | けんきゅうグループ (研究グループ) : research group |
| 1 | 基本設計 | きほんせっけい (基本設計) : baseline design; preliminary design; basic design |
| 1 | 適用 | てきよう (適用) : applying (e.g. a technology); adoption |
| 1 | 新た | あらた (新た) : new; fresh; novel |
| 1 | 他 | ほか (他) : 1. other (place, thing, person); the rest 2. outside; beyond |
| 1 | 環境 | かんきょう (環境) : environment; circumstance |
| 1 | 移行 | いこう (移行) : switching over to; migration; transition |
| 1 | やす | やす (安) : 1. cheap 2. rash; thoughtless; careless; indiscreet; frivolous |
| 1 | 効率 | こうりつ (効率) : efficiency |
| 1 | 活用 | かつよう (活用) : 1. practical use; application 2. conjugation; inflection |
| 1 | 有用 | ゆうよう (有用) : useful; helpful |
| 1 | 早期 | そうき (早期) : early stage |
| 1 | 加速 | かそく (加速) : acceleration; speeding up |
| 1 | 期待 | きたい (期待) : 1. expectation; anticipation; hope 2. promising; rising; up-and-coming |
| 1 | 記事 | きじ (記事) : article; news story; report; account |
| 1 | 関する | かんする (関する) : to concern; to be related |
| 1 | 画像 | がぞう (画像) : image; picture; portrait |
| 1 | 領域 | りょういき (領域) : area; domain; territory; field; range; region; regime |
| 1 | 記憶装置 | きおくそうち (記憶装置) : storage (device); memory |
| 1 | 形式 | けいしき (形式) : 1. form (as opposed to substance); formality 2. method; system; style |
| 1 | 表現 | ひょうげん (表現) : 1. expression; presentation 2. representation; notation |
| 1 | 従う | したがう (従う) : 1. to obey (an order, law, etc.); to abide by (a rule, custom, etc.); to follow; to observe; to conform to; to yield to 2. to follow (a person); to accompany; to go with |
| 1 | 実行 | じっこう (実行) : execution (e.g. of a plan); carrying out; practice; action; implementation; fulfillment; realization |
| 1 | 直感的 | ちょっかんてき (直感的) : intuitive |
| 1 | 理解 | りかい (理解) : understanding; comprehension; appreciation; sympathy |
| 1 | 利点 | りてん (利点) : advantage; point in favor; point in favour |
| 1 | 拡張 | かくちょう (拡張) : 1. expansion; extension; enlargement 2. escape; ESC |
| 1 | 自体 | じたい (自体) : 1. itself 2. one's own body; oneself |
| 1 | 大きく | おおきく (大きく) : in a big way; on a grand scale |
| 1 | 課題 | かだい (課題) : 1. subject; theme; issue; matter 2. homework; assignment |
| 1 | 特化 | とっか (特化) : specialization; specialisation |
| 1 | 最適化 | さいてきか (最適化) : optimization; optimisation |
| 1 | 変化 | へんか (変化) : 1. change; variation; alteration; mutation; transition; transformation; transfiguration; metamorphosis 2. variety; diversity |
| 1 | 実行ファイル | じっこうファイル (実行ファイル) : executable file |
| 1 | 移植 | いしょく (移植) : 1. transplanting (plants, organs, culture, etc.); transplant; grafting 2. porting (software) |
| 1 | 主流 | しゅりゅう (主流) : 1. mainstream; commonplace 2. main course (of a river); main stream |
| 1 | 二次元 | にじげん (二次元) : 1. two dimensions 2. fictional world of anime, manga, video games, etc. |
| 1 | 並べる | ならべる (並べる) : 1. to line up; to set up; to arrange in a line 2. to enumerate; to itemize |
| 1 | 量子ビット | りょうしビット (量子ビット) : quantum bit; qubit |
| 1 | 表面 | ひょうめん (表面) : 1. surface; face 2. outside; exterior |
| 1 | 符号化 | ふごうか (符号化) : encoding; coding |
| 1 | 単位 | たんい (単位) : 1. unit; denomination 2. credit (in school) |
| 1 | 際 | きわ (際) : 1. edge; brink; verge; side 2. time; moment of |
| 1 | 演算 | えんざん (演算) : operation; calculation |
| 1 | 基づく | もとづく (基づく) : to be grounded on; to be based on; to be due to; to originate from |
| 1 | 任意 | にんい (任意) : 1. optional; voluntary; arbitrary; random; discretionary; facultative; spontaneous; any 2. arbitrary |
| 1 | ごと | ごと (毎) : each; every |
| 1 | 追加 | ついか (追加) : addition; supplement; appending; appendix |
| 1 | 隣接 | りんせつ (隣接) : adjacency; contiguity; being adjoined |
| 1 | 使える | つかえる (使える) : to be usable; to be serviceable; to be useful |
| 1 | 実際 | じっさい (実際) : 1. reality; actuality; truth; fact; actual conditions 2. practice (as opposed to theory) |
| 1 | 典型的 | てんけいてき (典型的) : typical; representative; archetypal; quintessential; stereotypical; model |
| 1 | 限界 | げんかい (限界) : limit; bound |
| 1 | 実効 | じっこう (実効) : practical effect; efficacy; efficiency |
| 1 | 低 | てい (低) : low (level, value, price, etc.) |
| 1 | 主要 | しゅよう (主要) : chief; main; principal; major |
| 1 | 抱える | かかえる (抱える) : 1. to hold or carry under or in the arms 2. to have (esp. problems, debts, etc.) |
| 1 | 解決 | かいけつ (解決) : settlement; solution; resolution |
| 1 | 分ける | わける (分ける) : 1. to divide (into); to split (into); to part; to separate; to divide up; to classify; to sort out; to divide out 2. to share; to distribute; to deal out; to dish out |
| 1 | 標準的 | ひょうじゅんてき (標準的) : standard; standardized; average; normal; ordinary |
| 1 | 移動 | いどう (移動) : 1. movement; transfer; migration; removal; travel 2. mobile; moving; traveling; travelling; roving |
| 1 | 抽象化 | ちゅうしょうか (抽象化) : abstraction |
| 1 | 命令 | めいれい (命令) : 1. order; command; decree; directive 2. (software) instruction; statement |
| 1 | 具体的 | ぐたいてき (具体的) : concrete; definite; specific; material; substantial |
| 1 | 構造 | こうぞう (構造) : structure; construction; makeup; framework; organization; pattern |
| 1 | 依存 | いぞん (依存) : dependence; reliance |
| 1 | 構築 | こうちく (構築) : construction; building; putting up; erecting; creation; formulation; architecture (systems, agreement, etc.) |
| 1 | 要求 | ようきゅう (要求) : demand; firm request; requisition; requirement; desire |
| 1 | 比較 | ひかく (比較) : comparison |
| 1 | 増加 | ぞうか (増加) : increase; rise; growth; addition; increment |
| 1 | 軽減 | けいげん (軽減) : abatement; reduction |
| 1 | 規模 | きぼ (規模) : scale; scope; plan; structure |
| 1 | 削減 | さくげん (削減) : cut; reduction; curtailment |
| 1 | おく | おく (奥) : inner part; inside; interior; depths (e.g. of a forest); back (of a house, drawer, etc.); bottom (e.g. of one's heart); recesses; heart |
| 1 | 有効 | ゆうこう (有効) : 1. valid; effective 2. yuko (judo) |
| 1 | 証明 | しょうめい (証明) : proof; testimony; demonstration; verification; certification |
| 1 | 導入 | どうにゅう (導入) : introduction; bringing in; leading in; installation |
| 1 | 枠組み | わくぐみ (枠組み) : 1. frame 2. framework; outline |
| 1 | 性能 | せいのう (性能) : ability; performance; efficiency |
| 1 | 数値的 | すうちてき (数値的) : numeric; numerical |
| 1 | 命令セット | めいれいセット (命令セット) : instruction set |
| 1 | 整備 | せいび (整備) : 1. maintenance; servicing 2. putting in place; establishment; development; preparation; provision; outfitting |
| 1 | 手法 | しゅほう (手法) : technique; method |
| 1 | 緻密 | ちみつ (緻密) : minute; fine; delicate; accurate; precise; elaborate |
| 1 | 化 | か (化) : action of making something; -ification |
| 1 | 担当 | たんとう (担当) : being in charge (of an area of responsibility); being responsible (for a work role, etc.) |