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分散量子計算プラットフォーム
永山翔太中島博敬
担当PM: 藤井啓祐担当TA: 鈴木泰成
2020/2/8 未踏ターゲット 成果報告会
● 慶應義塾大学（~Mar. 2017）指導教官 村井純教授、Rodney Van Meter教授
○ 学部：量子鍵配送を利用する IPsec○ 修士：量子エラー訂正符号
○ 博士：量子コンピュータアーキ
量子インターネットアーキ
● ポスドク留学（Apr. 2017~Mar. 2018）○ 機械学習@Eotvos Lorand 大学
○ 量子インターネット@NUS訪問
● メルカリ（Apr. 2018~Now）
R4D シニアリサーチャー
○ 量子インターネット
○ 量子コンピュータ
○ 量子アニーリング
● IPA未踏ターゲット（Nov.2018~Mar.2020）
自己紹介：永山翔太 博士（政策・メディア）
● 慶應義塾大学
○ 修士: モバイルネットワークにおけるHTTP通信の高速化
● World Wide Web Consortium: Systems Team○ w3.orgのSRE
● 慶應ITC, WIDEプロジェクト
○ インターネット運用
○ サイバーセキュリティ
● メルカリ R4D リサーチャー
○ ブロックチェーンの標準化(ISO TC307国内審議委員)○ 暗号資産カストディアンのセキュリティガイドラインの国際標準化
自己紹介：中島 博敬
https://qitf.org/Quantum Internet Task Force
Established in May 2019 by researchers from● 7 universities● 2 national laboratories● 1 industry
Hokkaido Univ., The Univ. of Tokyo, Waseda Univ., ICU, NII, Mercari, Inc., Keio Univ., YNU, Osaka Univ., NICT
● 目的：量子エラー訂正符号に符号化したまま、
頻繁にエラー訂正しながら計算すること
● これにより、ノイズにメチャクチャ弱い量子を使って
「正しい」計算をできるようになる
フォルトトレラント量子計算とは
FT誤り訂正FT Logical CNOT
フォルトトレラント量子計算とは
FT Logical H
FT Logical X
FT誤り訂正
FT誤り訂正 FT誤り訂正
(1) 数百個のraw qubitで 計算用(Logical) qubit を 「組み上げる」
※本スライドはイメージです こんなに単純なFT量子計算符号は存在しませんNielsen & Chuang. Cambridge University Press. 2000.
FT誤り訂正FT Logical CNOT
フォルトトレラント量子計算とは
FT Logical H
FT Logical X
FT誤り訂正
FT誤り訂正 FT誤り訂正
(1) 数百個のraw qubitで 計算用(Logical) qubit を 「組み上げる」
(2) raw gate の組み合わせで Logical gate を構成できる ※本スライドはイメージです
こんなに単純なFT量子計算符号は存在しませんNielsen & Chuang. Cambridge University Press. 2000.
FT誤り訂正FT Logical CNOT
フォルトトレラント量子計算とは
FT Logical H
FT Logical X
FT誤り訂正
FT誤り訂正 FT誤り訂正
(1) 数百個のraw qubitで 計算用(Logical) qubit を 「組み上げる」
(2) raw gate の組み合わせで Logical gate を構成できる
(3) 計算中に誤り訂正できる
※本スライドはイメージです こんなに単純なFT量子計算符号は存在しませんNielsen & Chuang. Cambridge University Press. 2000.
FT誤り訂正FT Logical CNOT
フォルトトレラント量子計算とは
FT Logical H
FT Logical X
FT誤り訂正
FT誤り訂正
※本スライドはイメージです こんなに単純なFT量子計算符号は存在しません
FT誤り訂正
(1) 数百個のraw qubitで 計算用(Logical) qubit を 「組み上げる」
(2) raw gate の組み合わせで Logical gate を構成できる
(3) 計算中に誤り訂正できる
(4) Logical 2-qubit gate が 無闇にエラーを増やさない (伝搬させない )
Nielsen & Chuang. Cambridge University Press. 2000.
● CNOT gate● 任意の1量子ビット回転
○ H gate○ T gate
○ THTH → θ■ 2πに対して無理数
ユニバーサルゲートセット
π/4
π/4
π/4
π/4
θ
Z
X
Y
PHYSICAL REVIEW A 87, 019905(E) (2013)
Logical T gate● 量子エラー訂正符号（ surface code）を使う場合、Tゲートの計算コスト
が重い
● Tで消費するmagic state |A> を高fidelity に作るのが高コスト
● 良い|A>を1つ作るために、Distillationで15個の|A>を消費
● Distillation の成否は確率的
● 多階層 Distillation● 量子コンピュータは「magic state をひたすら作るマシン」
PQCrypto 2016: Post-Quantum Cryptography pp 29-43
Suchara et al. Technical Report No. UCB/EECS-2013-119. May, 2013.
量子アルゴリズム実行に必要なT gate の数
● 任意のノード間に
量子もつれを生成する
ネットワーク
● 中間ノードは量子中継機
量子インターネットとは
量子エンドノード
量子中継器
Bell pair
量子中継器Alice
Bob
Bell pair 生成 Bell pair 生成 Bell pair 生成
Entanglement Swapping
Entanglement Swapping
任意のノード間に量子もつれを
生成するネットワーク
● 量子もつれを任意の二地点に配送するネットワーク
● 用途
○ セキュリティ（完全安全な暗号通信 etc.）■ 量子鍵配送、量子署名、量子認証、
秘匿量子計算、etc.○ 時刻同期
○ 超長基線電波干渉計、etc.○ 分散量子計算
■ 量子計算をパワーアップ
○ Etc.
量子中継機による量子インターネット
● 単一組織・単一拠点内
● 単一組織・複数拠点間
● 複数組織（人）・複数拠点間
→グリッドコンピューティング
分散量子計算のスケール分類
量子ネットワークを介して|A⟩ を送信する分散量子計算プラットフォーム
開発物
量子ネットワークを介して|A>⟩ を送信する分散量子計算プラットフォーム
● 量子ネットワークを介して |A>⟩ を送信する分散量子計算プラットフォーム
○ pros: コラボレーターで発生する異常（突然のシャットダウン等）に耐性がある
○ cons: 量子通信リソース（エンドノード間の Bell pair）を大量に消費する
● 量子回路の実行を委託する (通常の) 分散量子計算
○ pros: 量子通信リソースを節約できる量子通信スループットより多く Tゲートを実行可能エンタングル
○ cons: コラボレーターで異常が発生すると情報を失う
pros/cons
CPU時間 (古典の場合)
1 時間
100 個
どちらも100 CPU時間
100 時間
1 個
量子回路の実行を委託する (通常の) 分散量子計算の長所
量子CPU時間 (量子の場合)
1 時間
100 個
100 時間
1 個
どちらも100 量子ビット時間？
量子回路の実行を委託する (通常の) 分散量子計算の長所
量子CPU時間 (量子の場合)
1 時間
100 個
どちらも100 量子ビット時間？
100 時間
1 個
エンタングル！！！(こっちのほうが計算空間が広い)
量子回路の実行を委託する (通常の) 分散量子計算の長所
量子分散計算の使い方
100 台
時間
量子回路の実行を委託する (通常の) 分散量子計算の長所
量子分散計算の使い方
100 台
時間
量子回路の実行を委託する (通常の) 分散量子計算の長所
● 量子ネットワークを介して |A>⟩ を送信する分散量子計算プラットフォーム
○ pros: コラボレーターで発生する異常（突然のシャットダウン等）に耐性がある
○ cons: 量子通信リソース（エンドノード間の Bell pair）を大量に消費する
● 量子回路の実行を委託する (通常の) 分散量子計算
○ pros: 量子通信リソースを節約できる量子通信スループットより多く Tゲートを実行可能エンタングル
○ cons: コラボレーターで異常が発生すると情報を失う
pros/cons
量子ネットワークを介して|A>⟩ を送信する分散量子計算プラットフォーム
Server
Client
Client
Database
Node Manager
Job Manager
Worker Manager
Worker Manager
Quantum Worker
Quantum Worker
開始スクリプト
クライアント参加登録時
listen
3.接続待ち
1.参加要求
2. ack
26
Server
Client
Client
Database
Node Manager
Job Manager
Worker Manager
Worker Manager
Quantum Worker
Quantum Worker
Root CA
OCSP responderCert Database
紹介リクエスト
listen
listen
1.計算を実行したい！
3.提供可能状態照会・返答
2.提供可能状態照会・返答
27
Server
Client
Client
Database
Node Manager
Job Manager
Worker Manager
Worker Manager
Quantum Worker
Quantum Worker
Root CA
OCSP responderCert Database
量子提供状態
listen
listen
4.ノード間で直接接続
28
1.計算を実行したい！
● 暗号スイート
○ 現状は楕円暗号を用いているが、暗号スイートは交換可能な設計にしてい
る。
○ 将来耐量子暗号が出てきたら交換できる
● 証明書の高速更新 (量子コンピュータで解かれるより早く更新する)○ 通信内容を秘匿したいわけではないので、いつか解かれても問題ない(通
信自体は共通鍵暗号)○ 認証部分を攻撃するための量子計算時間より早い時間で証明書を更新す
る
対量子セキュリティ
Pereina et al. Internet X.509 Public Key Infrastructure: Additional Post-Quantum Signature Algorithms and Identifiershttps://datatracker.ietf.org/doc/draft-pereira-pq-signature-oids/Canpaguna et al. Hybrid Post-Quantum Key Encapsulation Methods (PQ KEM) for Transport Layer Security 1.2 (TLS) https://datatracker.ietf.org/doc/draft-campagna-tls-bike-sike-hybrid/
Server
Client
Client
Database
Node Manager
Job Manager
Worker Manager
Worker Manager
Quantum Worker
Quantum Worker
開始スクリプト
Root CA
OCSP responderCert Database
クライアント参加登録時
listen
証明書を用いて接続待ち
この通信もTLSで守られているが、相互認証はできていない
3. Node Managerはクライアント証明書発行をCAに依頼
2.参加要求
1.秘密鍵とCSRを生成
4.クライアントが使う証明書など
30
Server
Client
Client
Database
Node Manager
Job Manager
Worker Manager
Worker Manager
Quantum Worker
Quantum Worker
Root CA
OCSP responderCert Database
初期状態
listen
listen
証明書失効確認
Server/Client双方が証明書を用いた相互認証をしている
Server/Client双方が証明書を用いた相互認証をしている
31
Server
Client
Client
Database
Node Manager
Job Manager
Worker Manager
Worker Manager
Quantum Worker
Quantum Worker
Root CA
OCSP responderCert Database
紹介リクエスト
listen
listen
1.計算を実行したい！
3.提供可能状態照会・返答
2.提供可能状態照会・返答
32
Server
Client
Client
Database
Node Manager
Job Manager
Worker Manager
Worker Manager
Quantum Worker
Quantum Worker
Root CA
OCSP responderCert Database
量子提供状態
listen
listen
4.ノード間で直接接続
33
1.計算を実行したい！
● フォルトトレラント量子計算は|A> をたくさん欲しい
● 分散量子計算で|A>をたくさん作れないか
● 実装してみた
まとめ
● フォルトトレラント量子計算は|A> をたくさん欲しい
● 分散量子計算で|A>をたくさん作れないか
● 実装してみた
● スパコンの性能はFLOPS ( FLoating-point Oeration Per Second )● 量子コンピュータでは AKEPS ( A Ket Per Second ) ではないか？
まとめ
予想
