講師・講義内容

　量子鍵配送や量子テレポーテーションに象徴される量子通信は、従来の通信では実現できない様々なタスクを可能にする。本講義では、量子力学特有の相関である「量子もつれ」が量子通信のリソースであることを示し、現実的にそのリソースを供給する方法について解説する。またこれらの方法の実現が、なぜ将来の量子通信ネットワーク「量子インターネット」実現の礎となるのかについても解説する。

　近年、量子情報理論に基づいて物理現象を理解する試みが盛んに行われており、物理学の新たな地平を切り開くことが期待されています。本講義では、なかでも量子情報理論の量子熱力学への応用について解説します。まず量子情報理論におけるエントロピーや相対エントロピー（Kullback-Leibler divergence）の導入から出発し、とくにリソース理論と呼ばれる近年注目を集めている理論体系について解説します。リソース理論は、エンタングルメントや量子コヒーレンスなど情報理論的な「リソース」を定量化するために幅広く用いられますが、本講義ではそれが量子系の熱力学の現代的な定式化を与えることを見ます。また、余裕があれば量子仮説検定などの関連する話題にも触れたいと思います。

　本講義では、量子情報と重力理論の深いかかわり合いについて解説する。まず、「ブラックホール」の幾何構造やそれが持つエントロピーを「量子エンタングルメント」の観点から説明したい。その後で、「ゲージ重力対応（ホログラフィー原理）」と呼ばれる重力理論と量子多体系の等価性の入門的解説を行い、最後に「量子エンタングルメントからの重力理論の宇宙の創発」の話題に触れたい。

　超伝導量子コンピュータの開発が加速しています。各国研究機関に加えて情報技術界の大手企業が開発に参入し、昨今盛り上がりを見せています。毎年のように量子情報処理技術のマイルストーン（重要な研究目標）が達成される一方で、その研究と開発の裏側はどうなっているでしょうか。本講義では超伝導量子コンピュータの開発と研究、その違いを意識しながら超伝導量子コンピュータを概説します。

　超伝導量子ビットはシリコン基板上に形成された超伝導回路であり、半導体量子ドット等と同様に固体素子です。固体中の様々な要因に由来する短いコヒーレンス時間に苦しめられてきましたが、その問題が長年の努力により解決しつつあり、現在のような華やかな成果へとつながっています。携帯電話の通信技術に代表されるラジオ波・マイクロ波技術が回路設計や制御に生かされることにより、高い制御性を実現しています。また、たった1本の超伝導配線により近接量子ビットとの相互作用が実現され、量子ビットを回路上にびっしり並べられる集積性が特徴です。

　しかしながら量子コンピュータの実現に一つ一つ近づくにつれて、きわめて低い量子ゲートの誤り率が要求されます。そのため、これまでの良さであった制御性や集積性に少しずつほころびが見えはじめています。この講義では量子コンピュータを作るという視点に立ち、1量子ビットゲートを中心に、これまでの研究とこれからの研究課題について議論します。

　量子エレクトロニクスとは、大雑把に言えば分子・原子・原子核などと電磁波とのコヒーレント相互作用を制御や通信あるいは計測に利用する学問・技術分野のことである。近年注目される量子コンピュータや量子制御といった量子技術の大半は、この量子エレクトロニクス分野と呼ばれてきた学問領域をその基礎としている。

　本講義ではこの量子エレクトロニクスの基礎の部分、原子などの「2準位系」を電磁波でどのように制御するか、ということについて初学者向けに講義を行なう。量子コンピュータで用いられる「量子ビット」も多くの場合「2準位系」であり、2準位系の電磁波による制御を理解することは、そのまま量子ビット制御の基礎を理解することにつながる。時間があれば、講演者の専門である冷却原子系を用いた量子シミュレーション実験についても紹介したい。

　指数関数的な高速化を実現する高度な量子アルゴリズムを実行するためには、量子ノイズによって生じるエラーを訂正するための量子誤り訂正による誤り耐性量子コンピュータが必要になります。現在、数十量子ビット規模の量子コンピュータが実現されており、量子誤り訂正の原理実証実験が可能になりつつあり、当分野の次の大きなマイルストーンとして注目されています。本講演では、量子誤り訂正の理論的な枠組みを基本的なところから解説し、誤り耐性量子コンピュータについて概観する。また、最近行われている量子誤り訂正の実現にむけた実験的な取り組みも紹介する。