(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-08
(45)【発行日】2024-02-19
(54)【発明の名称】量子コンピューティングシステムおよびその動作方法
(51)【国際特許分類】
G06N 10/20 20220101AFI20240209BHJP
【ＦＩ】
G06N10/20
【請求項の数】
19
(21)【出願番号】P 2022165055
(22)【出願日】2022-10-13
(65)【公開番号】P2023064710
(43)【公開日】2023-05-11
【審査請求日】2022-10-20
(31)【優先権主張番号】10-2021-0143604
(32)【優先日】2021-10-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(31)【優先権主張番号】10-2022-0058786
(32)【優先日】2022-05-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(73)【特許権者】
【識別番号】596180076
【氏名又は名称】韓國電子通信研究院
【氏名又は名称原語表記】Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
【住所又は居所原語表記】２１８，Ｇａｊｅｏｎｇ－ｒｏ Ｙｕｓｅｏｎｇ－ｇｕ Ｄａｅｊｅｏｎ ３４１２９，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
(74)【代理人】
【識別番号】100120031
【弁理士】
【氏名又は名称】宮嶋 学
(74)【代理人】
【識別番号】100107582
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 毅
(74)【代理人】
【識別番号】100152205
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 昌司
(72)【発明者】
【氏名】ス、チョルオ
(72)【発明者】
【氏名】チェイ、ヨルキム
(72)【発明者】
【氏名】ジン、ホオン
(72)【発明者】
【氏名】サン、ミンリー
(72)【発明者】
【氏名】ギュ、イルチャ
【審査官】牛丸 太希
(56)【参考文献】
【文献】L. Lao など，Mapping of Lattice Surgery-based Quantum Circuits on Surface Code Architectures，arxiv.org，2018年05月28日，https://arxiv.org/abs/1805.11127
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０６Ｎ １０／００－１０／８０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
所定の量子コードが入力されて量子基本演算命令ベースの量子カーネルを出力する論理キュービット量子コンパイラと、前記量子カーネルに基づいて複数の物理キュービット量子命令を生成する論理キュービット量子カーネル実行器と、
前記物理キュービット量子命令を受信して物理量子演算を行う物理キュービット量子システムとを含み、
前記論理キュービット量子コンパイラは、
前記入力された量子コードを量子複合演算命令の組合せに分解して論理キュービットを対象とする量子複合演算命令ベースのコードを生成する量子複合演算命令組合せ部と、
前記量子複合演算命令ベースのコードが入力されて論理キュービットを対象とする量子基本演算命令に分解し、量子基本演算命令ベースの量子カーネルを生成する量子基本演算命令生成部とを含む、
量子コンピューティングシステム。
【請求項2】
前記論理キュービット量子コンパイラは、データ論理キュービットの演算のための臨時論理キュービットを選定し、前記量子複合演算命令を構成する少なくとも１つの量子基本演算命令に対する並列および順次実行スケジューリングを行うものである、請求項１に記載の量子コンピューティングシステム。
【請求項3】
前記量子複合演算命令は、ｎ個（ｎは自然数）の量子基本演算命令グループを含み、前記量子基本演算命令グループは、ｋ個（ｋは自然数）の量子基本演算命令を含みかつ、前記量子基本演算命令グループは、定められた時間によって順次に行われ、前記量子基本演算命令グループ内の量子基本演算命令は、互いに並列的に行われるものである、
請求項１に記載の量子コンピューティングシステム。
【請求項4】
前記量子基本演算命令のうち併合量子基本演算命令は、第１境界または第２境界に隣り合う第１論理キュービットと第２論理キュービットとを１つの論理キュービットに併合するようにする量子基本演算命令でかつ、前記併合量子基本演算命令が行われることにより併合された論理キュービットは、前記第１および第２論理キュービットのもつれ状態を有するものである、
請求項１に記載の量子コンピューティングシステム。
【請求項5】
前記論理キュービット量子カーネル実行器は、前記併合量子基本演算命令の併合測定結果を格納する併合論理キュービット測定結果格納部を含むものである、請求項４に記載の量子コンピューティングシステム。
【請求項6】
前記量子基本演算命令のうち分割量子基本演算命令は、前記併合された論理キュービットを前記第１境界または第２境界に隣り合う第１論理キュービットと第２論理キュービットとに分割するようにする量子基本演算命令でかつ、前記分割量子基本演算命令が行われることにより分割された第１および第２論理キュービットは、もつれ状態を有するものである、
請求項４に記載の量子コンピューティングシステム。
【請求項7】
前記量子複合演算命令のうち移動量子複合演算命令は、出発地である第１論理キュービットの状態を、第１境界または第２境界に隣接した目的地である第２論理キュービットに移動するようにする量子複合演算命令でかつ、前記第１論理キュービットは、データ論理キュービットであり、前記第２論理キュービットは、臨時論理キュービットである、
請求項１に記載の量子コンピューティングシステム。
【請求項8】
前記移動量子複合演算命令は、前記臨時論理キュービットの初期化のための初期化量子基本演算命令グループと、
前記第１論理キュービットと第２論理キュービットを対象に前記第１境界または第２境界に相応する併合論理キュービットを生成する併合量子基本演算命令グループと、
前記併合論理キュービットを対象にもつれ状態の第１および第２論理キュービットに分割する分割量子基本演算命令グループと、
前記もつれ状態の第１論理キュービットの量子状態を第２論理キュービットに移動させ、前記第１論理キュービットを臨時論理キュービットに変更し、前記第２論理キュービットをデータ論理キュービットに変更する移動後処理量子基本演算命令グループとを含むものである、
請求項７に記載の量子コンピューティングシステム。
【請求項9】
前記移動後処理量子基本演算命令グループの移動後処理量子基本演算命令は、前記第２境界に相応する前記併合量子基本演算命令グループ内の併合量子基本演算命令の併合測定結果の固有値が－１であれば、第２論理キュービットに論理Ｚ演算を行い、前記第１論理キュービットのＺ基底測定結果の固有値が－１であれば、前記第２論理キュービットに論理Ｘ演算を行うものである、
請求項８に記載の量子コンピューティングシステム。
【請求項10】
前記移動後処理量子基本演算命令グループの移動後処理量子基本演算命令は、前記第１境界に相応する前記併合量子基本演算命令グループ内の併合量子基本演算命令の併合測定結果の固有値が－１であれば、第２論理キュービットに論理Ｘ演算を行い、前記第１論理キュービットのＸ基底測定結果の固有値が－１であれば、前記第２論理キュービットに論理Ｚ演算を行うものである、
請求項８に記載の量子コンピューティングシステム。
【請求項11】
前記量子複合演算命令のうちＣＮＯＴ量子複合演算命令は、第１論理キュービットおよび第２論理キュービットのいずれか１つをそれぞれ制御およびターゲットとして用いるＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄ－ＮＯＴ動作を行うようにする量子複合演算命令でかつ、前記第１および第２論理キュービットは、データ論理キュービットである、
請求項１に記載の量子コンピューティングシステム。
【請求項12】
前記ＣＮＯＴ量子複合演算命令は、臨時論理キュービットの初期化のための初期化量子基本演算命令グループと、
前記第１論理キュービットと前記臨時論理キュービットを対象に第１境界または第２境界に相応する第１併合論理キュービットを生成する第１併合量子基本演算命令グループと、
前記第１併合論理キュービットを対象にもつれ状態の第１論理キュービットおよび臨時論理キュービットに分割する第１分割量子基本演算命令グループと、
前記第２論理キュービットと前記もつれ状態の臨時論理キュービットを対象に前記第２境界または第１境界に相応する第２併合論理キュービットを生成する第２併合量子基本演算命令グループと、
前記第２併合論理キュービットを対象にもつれ状態の第２論理キュービットおよび臨時論理キュービットに分割する第２分割量子基本演算命令グループと、
前記もつれ状態の第１および第２論理キュービットと臨時論理キュービットに対するもつれ状態を解除するＣＮＯＴ後処理量子基本演算命令グループとを含むものである、
請求項１１に記載の量子コンピューティングシステム。
【請求項13】
前記ＣＮＯＴ後処理量子基本演算命令グループのＣＮＯＴ後処理量子基本演算命令は、前記第１境界に相応する第２併合量子基本演算命令グループ内の併合量子基本演算命令の併合測定結果の固有値が－１であれば、ターゲットである論理キュービットに論理Ｘ演算を行い、前記第２境界に相応する第１併合量子基本演算命令グループ内の併合量子基本演算命令の併合測定結果の固有値と、臨時論理キュービットのＸ基底測定結果の固有値、のいずれか１つが－１であれば、制御である論理キュービットに論理Ｚ演算を行うものである、
請求項１２に記載の量子コンピューティングシステム。
【請求項14】
前記ＣＮＯＴ後処理量子基本演算命令グループのＣＮＯＴ後処理量子基本演算命令は、前記第２境界に相応する第２併合量子基本演算命令グループ内の併合量子基本演算命令の併合測定結果の固有値が－１であれば、制御である論理キュービットに論理Ｚ演算を行い、前記第１境界に相応する第１併合量子基本演算命令グループ内の併合量子基本演算命令の併合測定結果の固有値と、臨時論理キュービットのＺ基底測定結果の固有値、のいずれか１つが－１であれば、ターゲットである論理キュービットに論理Ｘ演算を行うものである、
請求項１２に記載の量子コンピューティングシステム。
【請求項15】
前記量子複合演算命令のうち交換量子複合演算命令は、第１論理キュービットと第２論理キュービットの状態を交換する動作を行うようにする量子複合演算命令でかつ、前記第１および第２論理キュービットは、データ論理キュービットであり、前記第１および第２論理キュービットの第１および第２境界に位置する第３および第４論理キュービットは、臨時論理キュービットである、
請求項１に記載の量子コンピューティングシステム。
【請求項16】
前記交換量子複合演算命令は、前記第３および第４論理キュービットの初期化のための第１初期化量子基本演算命令グループと、
前記第１境界に位置する前記第１および第３論理キュービットを併合し、前記第２および第４論理キュービットを併合する第１併合量子基本演算命令グループと、
前記併合された各併合論理キュービットを対象にもつれ状態の第１および第３論理キュービットに分割し、第２および第４論理キュービットに分割する第１分割量子基本演算命令グループと、
前記もつれ状態の第１および第２論理キュービットの量子状態をそれぞれ第３および第４論理キュービットに移動させ、前記第３および第４論理キュービットをそれぞれ第１および第２論理キュービットに相応するデータ論理キュービットに変更する第１移動後処理量子基本演算命令グループと、
臨時論理キュービットに変更された第１および第２論理キュービットの初期化のための第２初期化量子基本演算命令グループと、
前記第２境界に位置する前記第１および第４論理キュービットを併合し、前記第２および第３論理キュービットを併合する第２併合量子基本演算命令グループと、
前記併合された各併合論理キュービットを対象にもつれ状態の第１および第４論理キュービットに分割し、第２および第３論理キュービットに分割する第２分割量子基本演算命令グループと、
前記もつれ状態の第３および第４論理キュービットの量子状態をそれぞれ第２および第１論理キュービットに移動させ、前記第２および第１論理キュービットをそれぞれ第３および第４論理キュービットに相応するデータ論理キュービットに変更する第２移動後処理量子基本演算命令グループとを含む、
請求項１５に記載の量子コンピューティングシステム。
【請求項17】
前記論理キュービット量子カーネル実行器は、前記量子カーネルが入力されて量子基本演算命令を複数の物理キュービット量子命令に分解する量子基本演算命令分解部と、
前記分解された物理キュービット量子命令を前記物理キュービット量子システムに相応するように最適化およびスケジューリングを行う物理キュービット量子命令最適化部とを含む、
請求項１に記載の量子コンピューティングシステム。
【請求項18】
前記論理キュービット量子カーネル実行器は、前記物理量子演算が行われることによる物理キュービットの測定結果を組合せて単一論理キュービット測定結果を生成および格納する単一論理キュービット測定結果格納部を含む論理キュービット測定結果格納部と、
前記論理キュービットを対象とする一部の量子複合演算命令の最終の量子基本演算命令を実行する量子基本演算の後処理部とを含む、
請求項１に記載の量子コンピューティングシステム。
【請求項19】
量子コンピューティングシステムにより行われる動作方法において、所定の量子コードが入力されて量子基本演算命令ベースの量子カーネルを出力するステップと、
前記出力された量子カーネルに基づいて複数の物理キュービット量子命令を生成するステップと、
前記物理キュービット量子命令を受信して物理量子演算を行うステップとを含み、
前記所定の量子コードが入力されて量子基本演算命令ベースの量子カーネルを出力するステップは、
前記入力された量子コードを量子複合演算命令の組合せに分解して論理キュービットを対象とする量子複合演算命令ベースのコードを生成するステップと、
前記量子複合演算命令ベースのコードが入力されて論理キュービットを対象とする量子基本演算命令に分解し、量子基本演算命令ベースの量子カーネルを生成するステップを含む、
動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、量子コンピューティングシステムおよびその動作方法に関し、論理キュービットを用いた専用の量子演算命令構造に基づく量子コンピューティングシステムおよびその動作方法に関する。
【背景技術】
【0002】
量子コンピュータはもつれ、重ね合わせなどのような量子力学性の現象を用いてデータを処理するコンピュータである。量子コンピュータは半導体コンピュータを代替可能な次世代コンピュータとされている。しかし、量子コンピュータに関連づけられた技術研究は量子コンピュータを実現するには及んでいない。
【0003】
量子コンピュータは多様な企業によって活発に研究されている。最近の量子コンピュータは約５０個の情報の誤りを有するキュービットを支援する水準の初期開発段階にあり、まだ実用化されていない状態である。
【0004】
一方、量子コンピューティングシステムでは物理キュービットの誤り率が高いため、誤り率を減少させるために、複数の物理キュービットを用いて１つの論理キュービットを生成し、これを運営する方法を使用する。ただし、量子コンピューティングシステムを効果的に実現するために、論理キュービットのための量子演算命令構造が必要であるが、今のところは物理キュービットで用いていた量子演算命令構造を修正なしにそのまま用いている。
【0005】
一般的に、論理キュービットは複数の物理キュービット集合で構成されるため、論理キュービットを対象とする量子論理演算命令は、物理キュービット量子演算命令よりはるかに複雑な実行過程が用いられる。
【0006】
したがって、論理キュービットの演算特性を正確に反映する論理キュービットに基づく専用の量子演算命令構造が必要であり、これによって論理キュービット量子演算命令の実行に必要な時間および資源の大きさを減少させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】韓国公開特許公報第１０－２０２１－０００８２９７号（２０２１．０１．２１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明が解決しようとする課題は、表面コード方式の論理キュービットを用いた演算分解ベースの量子基本演算命令とこれを結合した量子複合演算命令を提案し、当該命令の動作方法およびそのための量子コンピューティングシステムを提供することである。
【0009】
ただし、本発明が解決しようとする課題は上記の課題に限定されず、さらに他の課題が存在することができる。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上述した課題を解決するための、本発明の第１側面による量子コンピューティングシステムは、所定の量子コードが入力されて量子基本演算命令ベースの量子カーネルを出力する論理キュービット量子コンパイラと、前記量子カーネルに基づいて複数の物理キュービット量子命令を生成する論理キュービット量子カーネル実行器と、前記物理キュービット量子命令を受信して物理量子演算を行う物理キュービット量子システムとを含む。
【0011】
また、本発明の第２側面による量子コンピューティングシステムにより行われる動作方法は、所定の量子コードが入力されて量子基本演算命令ベースの量子カーネルを出力するステップと、前記出力された量子カーネルに基づいて複数の物理キュービット量子命令を生成するステップと、前記物理キュービット量子命令を受信して物理量子演算を行うステップとを含む。
【0012】
上述した課題を解決するための、本発明の他の側面によるコンピュータプログラムは、ハードウェアであるコンピュータと結合されて量子コンピューティングシステムにより行われる動作方法を実行し、コンピュータ読取可能記録媒体に格納される。
【0013】
本発明のその他の具体的な事項は詳細な説明および図面に含まれている。
【発明の効果】
【0014】
上述した本発明の一実施例は、論理キュービット量子コンピューティングシステムのための論理キュービット専用の量子演算命令構造を提案する。本発明の一実施例による論理キュービット量子演算命令構造は、既存の量子命令をより小さい演算単位に分解し、論理キュービット量子演算命令の実行に付加的に必要な臨時論理キュービットまで表現可能という特徴を有する。
【0015】
これにより、本発明の一実施例は、実際の量子命令が行われる前に行われる作業スケジューリングおよび最適化にかかる計算資源と実行費用を減少させることができる。
【0016】
本発明の効果は以上に言及された効果に制限されず、言及されていないさらに他の効果は以下の記載から通常の技術者に明確に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1A】論理キュービットが配置される例を示す図である。
【図1B】論理キュービットが配置される例を示す図である。
【図1C】論理キュービットが配置される例を示す図である。
【図1D】論理キュービットが配置される例を示す図である。
【図2】本発明の一実施例による量子複合演算命令の構成方法を説明するための図である。
【図3】ＭＯＶＥ＿ＭＸＸ量子複合演算命令の構成を説明するための図である。
【図4】ＭＯＶＥ＿ＭＺＺ量子複合演算命令の構成を説明するための図である。
【図5】ＳＷＡＰ量子複合演算命令の構成を説明するための図である。
【図6】ＣＮＯＴ＿ＭＸＸ量子複合演算命令の構成を説明するための図である。
【図7】ＣＮＯＴ＿ＭＺＺ量子複合演算命令の構成を説明するための図である。
【図8】本発明の一実施例による量子コンピューティングシステムのブロック図である。
【図9A】本発明の一実施例によるＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ量子基本演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図9B】本発明の一実施例によるＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ量子基本演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図10A】本発明の一実施例によるＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺ量子基本演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図10B】本発明の一実施例によるＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺ量子基本演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図11A】本発明の一実施例によるＳＰＩＬＴ＿ＭＸＸ量子基本演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図11B】本発明の一実施例によるＳＰＩＬＴ＿ＭＸＸ量子基本演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図12A】本発明の一実施例によるＳＰＩＬＴ＿ＭＺＺ量子基本演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図12B】本発明の一実施例によるＳＰＩＬＴ＿ＭＺＺ量子基本演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図13A】本発明の一実施例によるＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ量子基本演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図13B】本発明の一実施例によるＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ量子基本演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図14A】本発明の一実施例によるＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ量子基本演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図14B】本発明の一実施例によるＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ量子基本演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図15A】本発明の一実施例によるＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸとＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ量子基本演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図15B】本発明の一実施例によるＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸとＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ量子基本演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図16A】本発明の一実施例によるＭＯＶＥ＿ＭＸＸ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図16B】本発明の一実施例によるＭＯＶＥ＿ＭＸＸ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図16C】本発明の一実施例によるＭＯＶＥ＿ＭＸＸ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図16D】本発明の一実施例によるＭＯＶＥ＿ＭＸＸ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図16E】本発明の一実施例によるＭＯＶＥ＿ＭＸＸ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図17A】本発明の一実施例によるＭＯＶＥ＿ＭＺＺ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図17B】本発明の一実施例によるＭＯＶＥ＿ＭＺＺ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図17C】本発明の一実施例によるＭＯＶＥ＿ＭＺＺ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図17D】本発明の一実施例によるＭＯＶＥ＿ＭＺＺ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図17E】本発明の一実施例によるＭＯＶＥ＿ＭＺＺ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図18A】本発明の一実施例によるＳＷＡＰ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図18B】本発明の一実施例によるＳＷＡＰ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図18C】本発明の一実施例によるＳＷＡＰ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図18D】本発明の一実施例によるＳＷＡＰ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図18E】本発明の一実施例によるＳＷＡＰ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図18F】本発明の一実施例によるＳＷＡＰ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図18G】本発明の一実施例によるＳＷＡＰ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図18H】本発明の一実施例によるＳＷＡＰ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図18I】本発明の一実施例によるＳＷＡＰ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図19A】本発明の一実施例によるＣＮＯＴ＿ＭＸＸ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図19B】本発明の一実施例によるＣＮＯＴ＿ＭＸＸ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図19C】本発明の一実施例によるＣＮＯＴ＿ＭＸＸ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図19D】本発明の一実施例によるＣＮＯＴ＿ＭＸＸ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図19E】本発明の一実施例によるＣＮＯＴ＿ＭＸＸ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図19F】本発明の一実施例によるＣＮＯＴ＿ＭＸＸ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図19G】本発明の一実施例によるＣＮＯＴ＿ＭＸＸ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図20A】本発明の一実施例によるＣＮＯＴ＿ＭＺＺ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図20B】本発明の一実施例によるＣＮＯＴ＿ＭＺＺ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図20C】本発明の一実施例によるＣＮＯＴ＿ＭＺＺ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図20D】本発明の一実施例によるＣＮＯＴ＿ＭＺＺ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図20E】本発明の一実施例によるＣＮＯＴ＿ＭＺＺ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図20F】本発明の一実施例によるＣＮＯＴ＿ＭＺＺ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図20G】本発明の一実施例によるＣＮＯＴ＿ＭＺＺ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。
【図21】本発明の一実施例による動作方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0018】
本発明の利点および特徴、そしてそれらを達成する方法は添付した図面とともに詳細に後述する実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は以下に開示される実施例に制限されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現可能であり、単に本実施例は本発明の開示が完全となるようにし、本発明の属する技術分野における通常の技術者に本発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇によってのみ定義される。
【0019】
本明細書で使われた用語は実施例を説明するためのものであり、本発明を制限しようとするものではない。本明細書において、単数形は、文言で特に言及しない限り、複数形も含む。明細書で使われる「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、言及された構成要素のほか、１つ以上の他の構成要素の存在または追加を排除しない。明細書全体にわたって同一の図面符号は同一の構成要素を指し示し、「および／または」は、言及された構成要素のそれぞれおよび１つ以上のすべての組み合わせを含む。たとえ、「第１」、「第２」などが多様な構成要素を述べるために使われるが、これらの構成要素はこれらの用語によって制限されないことはもちろんである。これらの用語は、単に１つの構成要素を他の構成要素と区別するために使うものである。したがって、以下に言及される第１構成要素は、本発明の技術的思想内で第２構成要素であってもよいことはもちろんである。
【0020】
他に定義されなければ、本明細書で使われるすべての用語（技術および科学的用語を含む）は、本発明の属する技術分野における通常の技術者に共通して理解できる意味で使われるであろう。また、一般的に使われる事前に定義されている用語は、明らかに特に定義されていない限り、理想的または過度に解釈されない。
【0021】
以下、まず、通常の技術者の理解のために、本発明が着目した背景について説明した後、本発明について詳しく説明する。
【0022】
量子コンピュータはもつれ、重ね合わせなどのような量子力学に基づく未来型スーパーコンピュータである。量子コンピュータは１０年内に商用化されるという見込みが出るとともに、新物質や新薬開発、宇宙航空などこれまで人類が解けなかった課題を解決する未来の技術として注目されている。
【0023】
このような量子コンピュータは多様な企業によって研究されている。ＩＢＭは、ユーザが遠隔で量子コンピュータにアクセスできるように共用クラウドに量子コンピューティングを導入した最初の会社になり、Ｇｏｏｇｌｅは、２０１８年、Ｓｙｃａｍｏｒｅという５４キュービットの量子プロセッサを用いて量子優位を達成できたことを、科学界に明言した。
【0024】
一方、量子コンピューティングシステムは、根本的にエラーに極めて脆弱であり、システムの信頼度を高めるために、一般的に量子誤り訂正符号技術を用いる。最近、これに関連する量子誤り訂正符号技術の中でシステムとして最も実現の可能性が高いものが表面コードである。
【0025】
表面コードは多数の物理キュービットを用いて１つの論理キュービットを提供する方式である。表面コード上で複数の論理キュービットを対象とする量子演算の実現は、代表的に格子手術手法を使用する。
【0026】
既存の量子演算命令構造は物理キュービットをベースとし、これを論理キュービット技術にもそのまま適用していて、新たな論理キュービット量子演算の特性を適切に反映することができない。例えば、多数の論理キュービット量子演算に付加的に用いられる臨時論理キュービットを表現することができない。また、論理キュービット量子演算を物理キュービット量子演算に分解した量子実行コードのサイズが大きいというデメリットを有する。
【0027】
これは、論理キュービット演算の最適化および効率的な作業スケジューリングにおいて高い最適化時間と資源使用負荷を発生させる。
【0028】
このような問題を解消するために、本発明の一実施例による量子コンピューティングシステムおよびその動作方法は、表面コード方式の論理キュービットを用いた演算分解ベースの量子基本演算命令とこれを結合した量子複合演算命令を提案する。
【0029】
論理キュービットのための専用の量子演算命令構造は、論理量子演算命令を基本物理命令よりも小さい演算単位である量子基本演算命令に分解することにより行われる。これにより、本発明の一実施例は、実際の論理キュービットのための量子演算命令が行われる前に行われる作業スケジューリングおよび最適化にかかる資源使用負荷と最適化時間を減少させることができる。これに関連してより詳しく説明すれば次の通りである。
【0030】
第一、本発明の一実施例は、臨時論理キュービットに関連する量子演算作業スケジューリングを、実際の量子演算が行われる時点ではない、演算実行前の量子コンパイリングの時点で処理する。
【0031】
論理キュービット量子演算は、データを格納するデータ論理キュービットのほか、演算に付加的に用いる臨時論理キュービットを必要とする。しかし、既存の物理キュービット方式の量子演算構造は臨時論理キュービットを表現することができない。したがって、臨時論理キュービットの選定と並列／順次実行スケジューリングを実際の量子演算が実行される時点で行うことによりさらなる実行負荷を誘発して、物理キュービットのコヒーレンス（Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ）時間を超える可能性が増加する。
【0032】
本発明の一実施例で提案する量子演算命令構造は、臨時論理キュービットを表現できるようにする。したがって、臨時論理キュービットの選定と並列／順次実行スケジューリングを、実際の量子演算実行の時点ではない、量子コンパイリングの時点で行えるようにする。これにより、本発明の一実施例は、実際の量子演算を行う時のさらなる実行時間負荷を減少させることができる。
【0033】
第二、本発明の一実施例は、論理キュービット量子演算を物理キュービット量子演算に分解した後の最適化作業にかかる時間を減少させることができる。
【0034】
単一論理キュービットは距離（ｄ）で特定され、ｄが大きくなるほど誤り率が減少する。単一論理キュービットを構成する物理キュービットの数はｄ２になり、論理量子演算を構成する物理量子演算の数もＯ（ｄ２）に増加する。誤り率を減少させるためにはｄが増加しなければならず、実際に単一論理量子演算は数百～数万個の物理量子演算に分解される。このように分解された物理量子演算を最終的に物理キュービット量子演算システムで行うためには、物理量子システムの特性を反映して最適化作業を行わなければならない。そして、大きな規模の物理量子演算を１つの問題空間内で最適化する作業は多くの計算資源と実行費用を必要とする。
【0035】
この時、量子演算最適化の問題空間は、論理キュービット演算が分解された物理キュービットの個数および命令奥行（ｄｅｐｔｈ）で表現される。命令奥行は、単一物理キュービットを基準とした時、順次に行われる量子演算の個数である。
【0036】
本発明の一実施例は、単一論理量子命令をより小さな演算単位である量子基本演算命令に分解することにより、最適化に用いられる物理キュービットの個数および演算奥行を減少させることができる。したがって、本発明の一実施例は、最適化作業に必要な問題空間の大きさを減少させることができる。結果的に、本発明の一実施例は、物理量子演算の最適化作業に必要な計算資源の大きさと処理時間を減少させることができる。
以下、図１Ａ～図２０ＧGを参照して、本発明の一実施例による量子コンピューティングシステムについて詳しく説明する。
以下、図１Ａ～図２０ＧGを参照して、本発明の一実施例による量子コンピューティングシステムについて詳しく説明する。
【0037】
【0038】
図１Ａ～図１Ｄは、表面コードに基づいた論理キュービット（ＬＱ：Ｌｏｇｉｃａｌ Ｑｕｂｉｔ）の多様な配置構造の中で代表的な４つの例を示す図である。各図面で、小さい四角形は、複数の物理キュービットに表面コードを適用して生成された１つの論理キュービットを示す。
【0039】
各論理キュービットは２種類の境界を有する。この時、実線はＸ境界を示し、点線はＺ境界を示す。本発明の説明では、Ｘ境界を第１境界、Ｚ境界を第２境界と称した。しかし、必ずしもこれに限定されるものではなく、実施例により、Ｘ境界が第２境界になり、これとは逆に、Ｚ境界は第１境界になってもよい。各論理キュービットは同一の境界同士（第１境界同士または第２境界同士）で対向して隣り合うことができ、このような条件を満たす多様な論理キュービットの配置が可能である。
【0040】
図１Ａは、上下部分が第１境界（Ｘ境界）であり、左右部分が第２境界（Ｚ境界）である論理キュービットを横および縦方向に配置した構造１１０を示した。図１Ｂは、左右部分が第１境界（Ｘ境界）であり、上下部分が第２境界（Ｚ境界）である論理キュービットを横および縦方向に配置した構造１２０を示した。
【0041】
図１Ｃと図１Ｄは、論理キュービットが対角方向に配置された構造を示す図である。図１Ｃは、右上、左下部分が第１境界（Ｘ境界）であり、左上、右下部分が第２境界（Ｚ境界）である論理キュービットを対角方向に配置した構造１３０を示した。図１Ｄは、左上、右下部分が第１境界（Ｘ境界）であり、右上、左下部分が第２境界（Ｚ境界）である論理キュービットを対角方向に配置した構造１４０を示した。
【0042】
以下、本発明の説明では、便宜上、図１Ａに示された配置構造１１０を基準として説明する。しかし、本発明の権利範囲は必ずしもこれに限定されるものではなく、図面に示された配置構造およびその他に適用可能な配置構造においても同一の命令と動作を使用できることはもちろんである。
【0043】
本発明の一実施例は、表面コードに基づいた論理キュービットのための量子コンピューティングシステムにおいて、複数の論理キュービットを対象とする量子演算を行うために、格子手術（Ｌａｔｔｉｃｅ Ｓｕｒｇｅｒｙ）手法を使用する。図１Ａ～図１Ｄで説明した多様な論理キュービットの配置において格子手術手法を使用するために、本発明では、次のような量子基本演算命令および量子複合演算命令を提案する。この時、量子複合演算命令は量子基本演算命令の組合せで生成される。
【0044】
まず、本発明の一実施例で提案する量子基本演算命令は次の通りである。
【0045】
－ＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ ａ、ｂ：第２境界（Ｚ境界）に隣り合う論理キュービット（ａ）と論理キュービット（ｂ）とを１つの論理キュービットに併合する。
【0046】
－ＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺ ａ、ｂ：第１境界（Ｘ境界）に隣り合う論理キュービット（ａ）と論理キュービット（ｂ）とを１つの論理キュービットに併合する。
【0047】
－ＳＰＬＩＴ＿ＭＸＸ ａ、ｂ：ＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ量子基本演算命令を用いて併合された論理キュービットを論理キュービット（ａ）と論理キュービット（ｂ）とに再度分割する。
【0048】
－ＳＰＬＩＴ＿ＭＺＺ ａ、ｂ：ＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺ量子基本演算命令を用いて併合された論理キュービットを論理キュービット（ａ）と論理キュービット（ｂ）とに再度分割する。
【0049】
－ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ ａ、ｂ：量子複合演算命令であるＭＯＶＥ＿ＭＸＸ命令実行の最後のステップで用いる量子基本演算命令である。ＭＯＶＥ動作の出発地は論理キュービット（ａ）であり、目的地は論理キュービット（ｂ）である。
【0050】
－ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ ａ、ｂ：量子複合演算命令であるＭＯＶＥ＿ＭＺＺ命令実行の最後のステップで用いる量子基本演算命令である。ＭＯＶＥ動作の出発地は論理キュービット（ａ）であり、目的地は論理キュービット（ｂ）である。
【0051】
－ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ ａ、ｂ、ｃ：量子複合演算命令であるＣＮＯＴ＿ＭＸＸ命令実行の最後のステップで用いる命令語である。論理キュービット（ａ）は制御（ｃｏｎｔｒｏｌ）、論理キュービット（ｂ）はターゲット（ｔａｒｇｅｔ）、論理キュービット（ｃ）は臨時論理キュービットとして用いられる。
【0052】
－ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ ａ、ｂ、ｃ：量子複合演算命令であるＣＮＯＴ＿ＭＺＺ命令実行の最後のステップで用いる命令語である。論理キュービット（ａ）は制御（ｃｏｎｔｒｏｌ）、論理キュービット（ｂ）はターゲット（ｔａｒｇｅｔ）、論理キュービット（ｃ）は臨時論理キュービットとして用いられる。
【0053】
参照として、本発明の説明では、必要に応じて、ＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ、ＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺを併合量子基本演算命令、ＳＰＩＬＴ＿ＭＸＸ、ＳＰＩＬＴ＿ＭＺＺを分割量子基本演算命令、ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ、ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺを移動後処理量子基本演算命令、ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ、ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺをＣＮＯＴ後処理量子基本演算命令と称することとする。
【0054】
次に、本発明の一実施例で提案する量子複合演算命令は次の通りである。
【0055】
－ＭＯＶＥ＿ＭＸＸ ａ、ｂ：出発地である論理キュービット（ａ）の状態を、第２境界（Ｚ境界）に隣接した目的地論理キュービット（Ｂ）に移動する。
【0056】
－ＭＯＶＥ＿ＭＺＺ ａ、ｂ：出発地である論理キュービット（ａ）の状態を、第１境界（Ｘ境界）に隣接した目的地論理キュービット（Ｂ）に移動する。
【0057】
－ＳＷＡＰ ａ、ｂ、ｃ、ｄ：論理キュービット（ａ）と論理キュービット（ｂ）の状態を交換する。交換動作を実行するために、論理キュービット（ｃ）と論理キュービット（ｄ）を臨時キュービットとして活用する。
【0058】
－ＣＮＯＴ＿ＭＸＸ ａ、ｂ、ｃ／ＣＮＯＴ＿ＭＺＺ ａ、ｂ、ｃ：論理キュービット（ａ）を制御（ｃｏｎｔｒｏｌ）として用い、論理キュービット（ｂ）をターゲット（ｔａｒｇｅｔ）として用いるＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄ－ＮＯＴ動作を行う。この時、論理キュービット（ｃ）を臨時キュービットとして活用する。ＣＮＯＴ＿ＭＸＸは、ターゲットとして用いる論理キュービット（ｂ）と、臨時キュービットとして用いる論理キュービット（ｃ）との併合を先に行う方法であり、ＣＮＯＴ＿ＭＺＺは、制御として用いる論理キュービット（ａ）と、臨時キュービットとして用いる論理キュービット（ｃ）との併合を先に行う方法である。ＣＮＯＴ＿ＭＸＸとＣＮＯＴ＿ＭＺＺの最終実行結果は同一である。
【0059】
参照として、本発明の説明では、必要に応じて、ＭＯＶＥ＿ＭＸＸ、ＭＯＶＥ＿ＭＺＺを移動量子複合演算命令、ＳＷＡＰを交換量子複合演算命令、ＣＮＯＴ＿ＭＸＸ、ＣＮＯＴ＿ＭＺＺをＣＮＯＴ量子複合演算命令と称することとする。
【0060】
図２は、本発明の一実施例による量子複合演算命令の構成方法を説明するための図である。
【0061】
一実施例として、１個の量子複合演算命令２１０は、ｎ個（ｎは自然数）の量子基本演算命令グループ２２０を含む。量子複合演算命令２１０内の量子基本演算命令グループ２２０は、時間によって順次に実行されなければならない。したがって、量子基本演算命令グループ１の実行が完了した後、量子基本演算命令グループ２が実行されなければならず、量子基本演算命令グループｎが一番最後に実行される。
【0062】
一実施例として、１個の量子基本演算命令グループ２２０は、ｋ個（ｋは自然数）の量子基本演算命令２２１を含む。量子基本演算命令グループ２２０内の量子基本演算命令２２１が複数個含まれる場合、複数の量子基本演算命令２２１は、互いに並列的に実行される。すなわち、量子基本演算命令１から量子基本演算命令ｋまでは互いに並列的に同時に行われる。
【0063】
したがって、最終的に１個の量子複合演算命令２１０は、並列または順次に行われる複数の量子基本演算命令２２１で構成される。
【0064】
図２の量子基本演算命令を組合せて量子複合演算命令を構成する方法を、図３～図７を参照して説明する。この時、ＩＮＩＴ命令は単一論理キュービットを初期化する量子基本演算命令で、本発明で提案する命令ではないが、量子複合演算命令を構成するために活用する。
【0065】
【0066】
図３は、ＭＯＶＥ＿ＭＸＸ量子複合演算命令の構成を説明するための図である。
【0067】
移動量子複合演算命令であるＭＯＶＥ＿ＭＸＸ命令３００は、出発地である第１論理キュービットの状態を、第２境界（Ｚ境界）に隣接した目的地である第２論理キュービットに移動するようにする量子複合演算命令である。
【0068】
ＭＯＶＥ＿ＭＸＸ量子複合演算命令３００は、４個の量子基本演算命令グループ３１０～３４０で構成される。各量子基本演算命令グループ３１０～３４０は、１個の量子基本演算命令だけを含む。したがって、ＭＯＶＥ＿ＭＸＸ量子複合演算命令３００は、ＩＮＩＴ命令、ＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ命令、ＳＰＬＩＴ＿ＭＸＸ命令、ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ命令を順次に実行すれば良い。
【0069】
図４は、ＭＯＶＥ＿ＭＺＺ量子複合演算命令の構成を説明するための図である。
【0070】
移動量子複合演算命令であるＭＯＶＥ＿ＭＺＺ命令４００は、出発地である第１論理キュービットの状態を、第１境界（Ｘ境界）に隣接した目的地である第２論理キュービットに移動するようにする量子複合演算命令である。
【0071】
ＭＯＶＥ＿ＭＺＺ量子複合演算命令４００は、ＭＯＶＥ＿ＭＸＸ量子複合演算命令３００と同様に、４個の量子基本演算命令グループ４１０～４４０で構成される。各量子基本演算命令グループ４１０～４４０は、１個の量子基本演算命令だけを含む。したがって、ＭＯＶＥ＿ＭＺＺ量子複合演算命令４００は、ＩＮＩＴ命令、ＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺ命令、ＳＰＬＩＴ＿ＭＺＺ命令、ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ命令を順次に実行すれば良い。
【0072】
図５は、ＳＷＡＰ量子複合演算命令の構成を説明するための図である。
【0073】
交換量子複合演算命令であるＳＷＡＰ命令５００は、第１論理キュービットと第２論理キュービットの状態を交換する動作を行うようにする量子複合演算命令である。
【0074】
ＳＷＡＰ量子複合演算命令５００は、８個の量子基本演算命令グループ５１０～５８０で構成される。各量子基本演算命令グループ５１０～５８０は、２個の量子基本演算命令で構成される。各量子基本演算命令グループ５１０～５８０に属した２個の量子基本演算命令は、互いに並列的に行われる。
【0075】
また、ＳＷＡＰ量子複合演算命令５００内の量子基本演算命令グループ１から８（５１０～５８０）までは順次に実行されなければならない。まず、量子基本演算命令グループ１（５１０）に属した２個のＩＮＩＴ命令が並列に行われる。２個のＩＮＩＴ命令の実行が終了すると、次に、量子基本演算命令グループ２（５２０）に属した２個のＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ命令が並列に行われる。この順序どおりに量子基本演算命令グループ８（５３０～５８０）まで行われる。
【0076】
図６は、ＣＮＯＴ＿ＭＸＸ量子複合演算命令の構成を説明するための図である。
【0077】
ＣＮＯＴ量子複合演算命令６００は、第１論理キュービットおよび第２論理キュービットのいずれか１つをそれぞれ制御およびターゲットとして用いるＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄ－ＮＯＴ動作を行うようにする量子複合演算命令である。
【0078】
ＣＮＯＴ＿ＭＸＸ量子複合演算命令６００は、６個の量子基本演算命令グループ６１０～６６０で構成される。各量子基本演算命令グループ６１０～６６０は、１個の量子基本演算命令だけを含む。したがって、ＣＮＯＴ＿ＭＸＸ量子複合演算命令６００は、ＩＮＩＴ命令、ＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ命令、ＳＰＬＩＴ＿ＭＸＸ命令、ＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺ命令、ＳＰＬＩＴ＿ＭＺＺ命令、ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ命令を順次に実行すれば良い。
【0079】
図７は、ＣＮＯＴ＿ＭＺＺ量子複合演算命令の構成を説明するための図である。
【0080】
ＣＮＯＴ＿ＭＺＺ量子複合演算命令７００は、６個の量子基本演算命令グループ７１０～７６０で構成される。各量子基本演算命令グループ７１０～７６０は、１個の量子基本演算命令だけを含む。したがって、ＣＮＯＴ＿ＭＺＺ量子複合演算命令７００は、ＩＮＩＴ命令、ＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺ命令、ＳＰＬＩＴ＿ＭＺＺ命令、ＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ命令、ＳＰＬＩＴ＿ＭＸＸ命令、ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ命令を順次に実行すれば良い。
【0081】
次に、図８を参照して、上述した量子基本演算命令および量子複合演算命令を処理する論理キュービットのための量子コンピューティングシステムについて説明する。
【0082】
図８は、本発明の一実施例による量子コンピューティングシステムのブロック図である。
【0083】
本発明の一実施例による量子コンピューティングシステム８００は、論理キュービット量子コンパイラ８１０と、論理キュービット量子カーネル実行器８２０と、物理キュービット量子システム８３０とを含む。
【0084】
論理キュービット量子コンパイラ８１０は、所定の量子コードが入力されて量子基本演算命令ベースの量子カーネルを出力する。この時、所定の量子コードは、ユーザによって作成された量子コードであってもよい。
【0085】
一実施例として、論理キュービット量子コンパイラ８１０は、量子複合演算命令組合せ部８１１と、量子基本演算命令生成部８１２とを含むことができる。
【0086】
量子複合演算命令組合せ部８１１は、入力された量子コードを量子複合演算命令の組合せに分解して量子複合演算命令ベースのコードを生成する。以後、量子基本演算命令生成部８１２は、量子複合演算命令ベースのコードが入力されて量子基本演算命令に分解し、量子基本演算命令ベースの量子カーネルを生成する。
【0087】
したがって、論理キュービット量子コンパイラ８１０が出力として生成する量子カーネルは、量子基本演算命令の組合せで構成され、量子カーネルは、論理キュービット量子カーネル実行器８２０に入力される。
【0088】
論理キュービット量子カーネル実行器８２０は、入力された量子カーネルに基づいて複数の物理キュービット量子命令を生成する。
【0089】
一実施例として、論理キュービット量子カーネル実行器８２０は、量子基本演算命令分解部８２１と、物理キュービット量子命令最適化部８２２と、論理キュービット測定結果格納部８２３と、量子基本演算命令後処理部８２４とを含むことができる。
【0090】
１個の論理キュービットは複数の物理キュービットで構成されているため、１個の量子基本演算命令は複数の物理キュービット量子命令に分解されなければならない。量子基本演算命令分解部８２１はこのような分解作業を行う。すなわち、量子基本演算命令分解部８２１は、量子カーネルが入力されて量子基本演算命令を複数の物理キュービット量子命令に分解する。
【0091】
本発明の一実施例による量子基本演算命令分解部８２１は、ＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ分解部８２１１と、ＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺ分解部８２１２と、ＳＰＬＩＴ＿ＭＸＸ分解部８２１３と、ＳＰＬＩＴ＿ＭＺＺ分解部８２１４と、ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ分解部８２１５と、ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ分解部８２１６と、ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ分解部８２１７と、ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ分解部８２１８とを含むことができる。
【0092】
物理キュービット量子命令最適化部８２２は、分解された物理キュービット量子命令を物理キュービット量子システム８３０の特性に相応するように最適化およびスケジューリングを行う。
【0093】
最適化された物理量子命令は、物理キュービット量子システム８３０に伝達されて物理量子演算が行われる。物理キュービット量子システム８３０での物理量子演算が終了すると、物理キュービットの測定結果は、論理キュービット測定結果格納部８２３に格納される。
【0094】
論理キュービット測定結果格納部８２３は、単一論理キュービット測定結果格納部８２３１と、併合論理キュービット測定結果格納部８２３２とを含むことができる。
【0095】
単一論理キュービット測定結果格納部８２３１は、物理量子演算が行われることによる物理キュービットの測定結果の組合せで単一論理キュービット測定結果を生成および格納する。
【0096】
併合論理キュービット測定結果格納部８２３２は、併合量子基本演算命令であるＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ命令と、ＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺ命令の実行結果で測定された併合測定結果を格納する。
【0097】
一方、ＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ命令、ＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺ命令、ＳＰＩＬＴ＿ＭＸＸ命令、ＳＰＩＬＴ＿ＭＺＺ命令の実行は、物理キュービット量子システム８３０で実行される。そして、測定結果は、論理キュービット測定結果格納部８２３に格納される。しかし、ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ命令、ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ命令、ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ命令、ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ命令は、追加的に量子基本演算命令後処理部８２４によって後処理過程が行われなければならない。
【0098】
本発明の一実施例による量子基本演算命令後処理部８２４は、ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ後処理部８２４１と、ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ後処理部８２４２と、ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ後処理部８２４３と、ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ後処理部８２４４とを含むことができる。
【0099】
ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ後処理部８２４１は、図１３で後述するＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ命令において目的地論理キュービットの測定を除いたすべての作業を行う。ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ後処理部８２４２は、図１４で後述するＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ命令において目的地論理キュービットの測定を除いたすべての作業を行う。ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ後処理部８２４３は、図１５で後述するＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ命令において論理キュービット（ｊ）の測定を除いたすべての作業を行う。ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ後処理部８２４４は、図１５で後述するＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ命令において論理キュービット（ｊ）の測定を除いたすべての作業を行う。
【0100】
以下、本発明で提案する量子基本演算命令と量子複合演算命令の動作方式をより詳しく説明する。各図面では、動作方式の説明のために、論理キュービットの番号をｉからｑまで付与した。
【0101】
【0102】
【0103】
量子基本演算命令のうち併合量子基本演算命令であるＭＥＲＧＥ命令語は、第１境界（Ｘ境界）または第２境界（Ｚ境界）に隣り合う第１論理キュービットと第２論理キュービットとを１つの論理キュービットに併合するようにする量子基本演算命令である。併合量子基本演算命令が行われることにより併合された論理キュービットは、第１および第２論理キュービットのもつれ状態を有する。
【0104】
ＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸは、第２境界（Ｚ境界）に隣り合う２個の論理キュービットを１つの論理キュービットに併合する動作である。まず、図９Ａは、論理キュービット（ｌ）と論理キュービット（ｍ）とが併合される前の状態９１０を示す図である。図９Ｂは、ＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ量子基本演算命令が行われることにより、論理キュービット（ｌ）と論理キュービット（ｍ）とが併合されて１つの併合論理キュービット（ｌ＿ｍ）（ＭＬＱ：Ｍｅｒｇｅｄ Ｌｏｇｉｃａｌ Ｑｕｂｉｔ）として生成された結果９２０を示す図である。
【0105】
この時、併合論理キュービット（ｌ＿ｍ）の状態は、併合前の２個の論理キュービット状態のもつれ（ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ）と定義される。ＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ命令語が行われた後の併合測定結果は、後に行われる他の量子基本演算命令のために、論理キュービット量子カーネル実行器の併合論理キュービット測定結果格納部８２３に格納される。
【0106】
【0107】
ＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺは、第１境界（Ｘ境界）に隣り合う２個の論理キュービットを１つの論理キュービットに併合する動作である。まず、図１０Ａは、論理キュービット（ｊ）と論理キュービット（ｍ）とが併合される前の状態１０１０を示す図である。図１０Ｂは、ＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺ量子基本演算命令が行われることにより、論理キュービット（ｊ）と論理キュービット（ｍ）とが併合されて１つの併合論理キュービット（ｊ＿ｍ）として生成された結果１０２０を示す図である。
【0108】
この時、併合論理キュービット（ｊ＿ｍ）の状態は、併合前の２個の論理キュービット状態のもつれ（ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ）と定義される。ＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺ命令語が行われた後の併合測定結果は、後に行われる他の量子基本演算命令のために、論理キュービット量子カーネル実行器の併合論理キュービット測定結果格納部８２３に格納される。
【0109】
【0110】
量子基本演算命令のうち分割量子基本演算命令であるＳＰＩＬＴ命令語は、ＭＥＲＧＥ命令語によって併合された論理キュービットを第１境界（Ｘ境界）または第２境界（Ｚ境界）に隣り合う第１論理キュービットと第２論理キュービットとに分割するようにする量子基本演算命令である。分割量子基本演算命令が行われることにより、分割された第１および第２論理キュービットは、もつれ状態を有する。
【0111】
ＳＰＬＩＴ＿ＭＸＸは、ＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ命令語を用いて併合された論理キュービットを２個の論理キュービットに分割する。図１１Ａは、分割しようとする併合論理キュービット（ｍ＿ｎ）を示す図である（１１１０）。図１１Ｂは、併合論理キュービット（ｍ＿ｎ）が論理キュービット（ｍ）と論理キュービット（ｎ）とに分割されることを示す図である（１１２０）。この時、併合論理キュービット（ｍ＿ｎ）の状態は、論理キュービット（ｍ）と論理キュービット（ｎ）に一様に伝達され、論理キュービット（ｍ）と論理キュービット（ｎ）は、もつれ状態で存在する。
【0112】
【0113】
ＳＰＬＩＴ＿ＭＺＺは、ＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺ命令語を用いて併合された論理キュービットを２個の論理キュービットに分割する。図１２Ａは、分割しようとする併合論理キュービット（ｍ＿ｐ）を示す図である（１２１０）。図１２Ｂは、併合論理キュービット（ｍ＿ｐ）が論理キュービット（ｍ）と論理キュービット（ｐ）とに分割されることを示す（１２２０）。この時、併合論理キュービット（ｍ＿ｐ）の状態は、論理キュービット（ｍ）と論理キュービット（ｐ）に一様に伝達され、論理キュービット（ｍ）と論理キュービット（ｐ）は、もつれ状態で存在する。
【0114】
【0115】
第２境界（Ｚ境界）に隣接した２個の論理キュービットがある時、ＭＯＶＥ＿ＭＸＸ量子複合演算命令により、出発地である論理キュービットの状態を、目的地である論理キュービットに移動させることができる。この時、移動後処理量子基本演算命令ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸは、移動量子複合演算命令ＭＯＶＥ＿ＭＸＸ命令実行の最後のステップで行われる命令語である。
【0116】
図１３Ａは、出発地である論理キュービット（ｍ）と目的地である論理キュービット（ｎ）にＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸとＳＰＬＩＴ＿ＭＸＸ命令語が順次にすでに行われた状態１３１０である。
【0117】
この時、ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ命令は、第２境界（Ｚ境界）に相応する併合量子基本演算命令グループ内の併合量子基本演算命令の併合測定結果の固有値が－１であれば、第２論理キュービットに論理Ｚ演算を行う。また、第１論理キュービットのＺ基底測定結果の固有値が－１であれば、第２論理キュービットに論理Ｘ演算を行う。
【0118】
すなわち、前に行われたＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸの併合測定結果の固有値が－１であれば、目的地論理キュービット（ｎ）に論理Ｚ演算を行う。また、出発地である論理キュービット（ｍ）のＺ基底測定結果の固有値が－１であれば、目的地論理キュービット（ｎ）に論理Ｘ演算を行う。
【0119】
このような演算を行った結果は、図１３Ｂに示された通りである（１３２０）。移動後処理量子基本演算命令ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸが行われることにより、２個の論理キュービットは、もつれが解除される。
【0120】
【0121】
第１境界（Ｘ境界）に隣接した２個の論理キュービットがある時、ＭＯＶＥ＿ＭＺＺ量子複合演算命令により、出発地である論理キュービットの状態を、目的地である論理キュービットに移動させることができる。この時、移動後処理量子基本演算命令ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺは、移動量子複合演算命令ＭＯＶＥ＿ＭＺＺ命令実行の最後のステップで行われる命令語である。
【0122】
図１４Ａは、出発地である論理キュービット（ｍ）と目的地である論理キュービット（ｐ）にＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺとＳＰＬＩＴ＿ＭＺＺ命令語が順次にすでに行われた状態１４１０である。
【0123】
この時、ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ命令は、第１境界（Ｘ境界）に相応する併合量子基本演算命令グループ内の併合量子基本演算命令の併合測定結果の固有値が－１であれば、第２論理キュービットに論理Ｘ演算を行う。また、第１論理キュービットのＸ基底測定結果の固有値が－１であれば、第２論理キュービットに論理Ｚ演算を行う。
【0124】
すなわち、前に行われたＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺの併合測定結果の固有値が－１であれば、目的地論理キュービット（ｐ）に論理Ｘ演算を行う。また、出発地である論理キュービット（ｍ）のＸ基底測定結果の固有値が－１であれば、目的地論理キュービット（ｐ）に論理Ｚ演算を行う。
【0125】
このような演算を行った結果は、図１４Ｂに示された通りである（１４２０）。移動後処理量子基本演算命令ＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺが行われることにより、２個の論理キュービットは、もつれが解除される。
【0126】
【0127】
ＣＮＯＴ量子複合演算命令は、２個の論理キュービットのうちの１つを制御（Ｃｏｎｔｒｏｌ）として用い、他の１つをターゲット（Ｔａｒｇｅｔ）として用いるＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄ－ＮＯＴ動作を行う命令である。ＣＮＯＴ量子複合演算命令は、ＣＮＯＴ＿ＭＸＸとＣＮＯＴ＿ＭＺＺとの量子複合演算命令に区分される。
【0128】
ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ命令は、ＣＮＯＴ＿ＭＸＸ命令実行の最後のステップで行われる命令語である。ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ命令語の実行前には、ＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ、ＳＰＬＩＴ＿ＭＸＸ、ＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺ、ＳＰＬＩＴ＿ＭＺＺ命令が事前に順次に行われなければならず、図１５Ａには、これらの命令語が順次に行われた状態が示された（１５１０）。
【0129】
この時、ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ命令は、第１境界（Ｘ境界）に相応する第２併合量子基本演算命令グループ内の併合量子基本演算命令の併合測定結果の固有値が－１であれば、ターゲットである論理キュービットに論理Ｘ演算を行う。また、第２境界（Ｚ境界）に相応する第１併合量子基本演算命令グループ内の併合量子基本演算命令の併合測定結果の固有値と、臨時論理キュービットのＸ基底測定結果の固有値、のいずれか１つが－１であれば、制御である論理キュービットに論理Ｚ演算を行う。
【0130】
すなわち、ＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺの併合測定結果の固有値が－１であれば、ターゲットである論理キュービット（ｉ）に論理Ｘ演算を行う。また、ＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸの併合測定結果の固有値と、論理キュービット（ｊ）のＸ基底測定結果の固有値、のいずれか１つが－１の時、制御として用いる論理キュービット（ｍ）に論理Ｚ演算を行う。このような演算を行った結果は、図１５Ｂに示した通りである（１５２０）。
【0131】
次に、ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ命令は、ＣＮＯＴ＿ＭＺＺ命令実行の最後のステップで行われる命令語である。ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ命令語の実行前には、ＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺ、ＳＰＬＩＴ＿ＭＺＺ、ＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ、ＳＰＬＩＴ＿ＭＸＸ命令が事前に順次に行われなければならず、図１５Ａには、順次に行われた状態が示された（１５１０）。
【0132】
この時、ＣＮＯＴ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ命令は、第２境界（Ｚ境界）に相応する第２併合量子基本演算命令グループ内の併合量子基本演算命令の併合測定結果の固有値が－１であれば、制御である論理キュービットに論理Ｚ演算を行う。また、第１境界（Ｘ境界）に相応する第１併合量子基本演算命令グループ内の併合量子基本演算命令の併合測定結果の固有値と、臨時論理キュービットのＺ基底測定結果の固有値、のいずれか１つが－１であれば、ターゲットである論理キュービットに論理Ｘ演算を行う。
【0133】
すなわち、ＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸの併合測定結果の固有値が－１であれば、制御である論理キュービット（ｍ）に論理Ｚ演算を行う。また、ＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺの併合測定結果の固有値と、論理キュービット（ｊ）のＺ基底測定結果の固有値、のいずれか１つが－１のとき、ターゲットとして用いる論理キュービット（ｉ）に論理Ｘ演算を行う。このような演算を行った結果は、図１５Ｂに示した通りである（１５２０）。
【0134】
【0135】
一方、本発明の一実施例では、各論理キュービットを、役割によって、データ論理キュービット（ＤＬＱ：Ｄａｔａ Ｌｏｇｉｃａｌ Ｑｕｂｉｔ）と、臨時論理キュービット（ＩＬＱ：Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｌｏｇｉｃａｌ Ｑｕｂｉｔ）とに区分することができる。データ論理キュービットは、実際の量子データを格納し、量子演算のために用いられる。臨時論理キュービットは、データ論理キュービット間の量子演算を行うために臨時に用いるキュービットで、データ論理キュービット間の量子演算が終了すると、臨時論理キュービットのデータは要らなくなる。
【0136】
本発明の一実施例は、論理キュービット量子コンパイラがデータ論理キュービットに対する量子複合演算命令を行うために、臨時論理キュービットを選定して、各論理キュービットをデータ論理キュービットと臨時論理キュービットに役割を割り当てる。
【0137】
【0138】
量子複合演算命令のうち移動量子複合演算命令であるＭＯＶＥ命令３００、４００は、出発地である第１論理キュービットの状態を、第１境界（Ｘ境界）または第２境界（Ｚ境界）に隣接した目的地である第２論理キュービットに移動するようにする量子複合演算命令である。この時、第１論理キュービットは、データ論理キュービットであり、第２論理キュービットは、臨時論理キュービットである。
【0139】
このような移動量子複合演算命令３００、４００は、初期化量子基本演算命令グループ３１０、４１０と、併合量子基本演算命令グループ３２０、４２０と、分割量子基本演算命令グループ３３０、４３０と、移動後処理量子基本演算命令グループ３４０、４４０とで構成される。
【0140】
初期化量子基本演算命令グループ３１０、４１０は、臨時論理キュービットの初期化のための量子基本演算命令を含む。
【0141】
併合量子基本演算命令グループ３２０、４２０は、第１論理キュービットと第２論理キュービットを対象に第２境界（Ｚ境界）または第１境界（Ｘ境界）に相応する併合論理キュービットを生成する量子基本演算命令を含む。
【0142】
分割量子基本演算命令グループ３３０、４３０は、併合論理キュービットを対象にもつれ状態の第１および第２論理キュービットに分割する量子基本演算命令を含む。
【0143】
移動後処理量子基本演算命令グループ３４０、４４０は、もつれ状態の第１論理キュービットの量子状態を第２論理キュービットに移動させ、第１論理キュービットを臨時論理キュービットに変更し、第２論理キュービットをデータ論理キュービットに変更する移動後処理量子基本演算命令を含む。
【0144】
具体的には、ＭＯＶＥ＿ＭＸＸ３００は、出発地であるデータ論理キュービットの状態を、第２境界（Ｚ境界）に隣接した目的地臨時論理キュービットに移動させるようにする量子複合演算命令である。図１６Ａ～図１６ＥによるＭＯＶＥ＿ＭＸＸ命令３００の動作方式を、図３を併せて参照して説明する。
【0145】
図１６Ａは、第２境界（Ｚ境界）に隣接した２つの論理キュービット間の２つの移動動作の例を示す（１６１０）。データ論理キュービット（ｍ）は、第２境界（Ｚ境界）に隣接した臨時論理キュービット（ｌ）や臨時論理キュービット（ｎ）に移動することができる。図１６Ｂ～図１６Ｅは、臨時論理キュービット（ｎ）を目的地とする移動動作を示す（１６２０～１６５０）。この時、臨時論理キュービット（ｌ）を目的地とする移動動作も同様の方法で行われる。
【0146】
図１６Ｂは、図３の量子基本演算命令グループ１（初期化量子基本演算命令グループ、３１０）のＩＮＩＴ量子基本演算命令を行って、臨時論理キュービット（ｎ）を｜０＞状態に初期化した結果を示す図である（１６２０）。
【0147】
図１６Ｃは、図３の量子基本演算命令グループ２（併合量子基本演算命令グループ、３２０）のＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ量子基本演算命令を行って、併合論理キュービット（ｍ＿ｎ）を生成した結果を示す図である（１６３０）。
【0148】
図１６Ｄは、図３の量子基本演算命令グループ３（分割量子基本演算命令グループ、３３０）のＳＰＬＩＴ＿ＭＸＸ量子基本演算命令を行って、併合論理キュービット（ｍ＿ｎ）を論理キュービット（ｍ）と論理キュービット（ｎ）とに分割した結果を示す図である（１６４０）。
【0149】
【0150】
この時、移動動作が完了すると、出発地にあったデータ論理キュービット（ｍ）の量子状態が臨時論理キュービット（ｎ）に移動する。また、移動前の臨時論理キュービット（ｎ）は、移動後にデータ論理キュービット（ｎ）に役割が変更され、移動前のデータ論理キュービット（ｍ）は、移動後に臨時論理キュービット（ｍ）に変更される。
【0151】
【0152】
ＭＯＶＥ＿ＭＺＺ量子複合演算命令４００は、出発地であるデータ論理キュービットの状態を、第１境界（Ｘ境界）に隣接した目的地臨時論理キュービットに移動させるようにする量子複合演算命令である。図１７Ａ～図１７ＥによるＭＯＶＥ＿ＭＺＺ命令４００の動作方式を、図４を併せて参照して説明する。
【0153】
図１７Ａは、第１境界（Ｘ境界）に隣接した２つの論理キュービット間の２つの移動動作の例を示す（１７１０）。データ論理キュービット（ｍ）は、第１境界（Ｘ境界）に隣接した臨時論理キュービット（ｊ）や臨時論理キュービット（ｐ）に移動することができる。図１７Ｂ～図１７Ｅは、臨時論理キュービット（ｊ）を目的地とする移動動作を示す。この時、臨時論理キュービット（ｐ）を目的地とする移動動作も同様の方法で行われる。
【0154】
図１７Ｂは、図４の量子基本演算命令グループ１（初期化量子基本演算命令グループ、４１０）のＩＮＩＴ量子基本演算命令を行って、臨時論理キュービット（ｊ）を｜＋＞状態に初期化した結果を示す図である（１７２０）。
【0155】
図１７Ｃは、図４の量子基本演算命令グループ２（併合量子基本演算命令グループ、４２０）のＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺ量子基本演算命令を行って、併合論理キュービット（ｊ＿ｍ）を生成した結果を示す図である（１７３０）。
【0156】
図１７Ｄは、図４の量子基本演算命令グループ３（分割量子基本演算命令グループ、４３０）のＳＰＬＩＴ＿ＭＺＺ量子基本演算命令を行って、併合論理キュービット（ｊ＿ｍ）を論理キュービット（ｊ）と論理キュービット（ｍ）とに分割した結果を示す図である（１７４０）。
【0157】
【0158】
この時、移動動作が完了すると、出発地にあったデータ論理キュービット（ｍ）の量子状態が臨時論理キュービット（ｊ）に移動する。また、移動前の臨時論理キュービット（ｊ）は、移動後にデータ論理キュービット（ｊ）に役割が変更され、移動前のデータ論理キュービット（ｍ）は、移動後に臨時論理キュービット（ｍ）に変更される。
【0159】
【0160】
量子複合演算命令のうち交換量子複合演算命令であるＳＷＡＰ命令５００は、第１論理キュービットと第２論理キュービットの状態を交換する動作を行うようにする量子複合演算命令である。この時、第１および第２論理キュービットは、データ論理キュービットであり、第１および第２論理キュービットの第１および第２境界（ＸおよびＺ境界）に位置する第３および第４論理キュービットは、臨時論理キュービットである。
【0161】
このような交換量子複合演算命令５００は、第１および第２初期化量子基本演算命令グループ５１０、５５０と、第１および第２併合量子基本演算命令グループ５２０、５６０と、第１および第２分割量子基本演算命令グループ５３０、５７０と、第１および第２移動後処理量子基本演算命令グループ５４０、５８０とで構成される。
【0162】
第１初期化量子基本演算命令グループ５１０は、第３および第４論理キュービットの初期化のための量子基本演算命令を含む。
【0163】
第１併合量子基本演算命令グループ５２０は、第２境界（Ｚ境界）に位置する第１および第３論理キュービットを併合し、第２および第４論理キュービットを併合する量子基本演算命令を含む。
【0164】
第１分割量子基本演算命令グループ５３０は、併合された各併合論理キュービットを対象にもつれ状態の第１および第３論理キュービットに分割し、第２および第４論理キュービットに分割する量子基本演算命令を含む。
【0165】
第１移動後処理量子基本演算命令グループ５４０は、もつれ状態の第１および第２論理キュービットの量子状態をそれぞれ第３および第４論理キュービットに移動させ、第３および第４論理キュービットをそれぞれ第１および第２論理キュービットに相応するデータ論理キュービットに変更する量子基本演算命令を含む。
【0166】
次に、第２初期化量子基本演算命令グループ５５０は、臨時論理キュービットに変更された第１および第２論理キュービットの初期化のための量子基本演算命令を含む。
【0167】
第２併合量子基本演算命令グループ５６０は、第１境界（Ｘ境界）に位置する第１および第４論理キュービットを併合し、第２および第３論理キュービットを併合する量子基本演算命令を含む。
【0168】
第２分割量子基本演算命令グループ５７０は、併合された各併合論理キュービットを対象にもつれ状態の第１および第４論理キュービットに分割し、第２および第３論理キュービットに分割する量子基本演算命令を含む。
【0169】
第２移動後処理量子基本演算命令グループ５８０は、もつれ状態の第３および第４論理キュービットの量子状態をそれぞれ第２および第１論理キュービットに移動させ、第２および第１論理キュービットをそれぞれ第３および第４論理キュービットに相応するデータ論理キュービットに変更する量子基本演算命令を含む。
【0170】
【0171】
まず、図１８Ａは、データ論理キュービット（ｍ）とＳＷＡＰ動作を実行可能な４つのデータ論理キュービットを示す（１８１０）。データ論理キュービット（ｍ）は、データ論理キュービット（ｉ）、データ論理キュービット（ｋ）、データ論理キュービット（ｏ）、データ論理キュービット（ｑ）とＳＷＡＰ動作を行うことができる。
【0172】
【0173】
図１８Ｂは、図５の量子基本演算命令グループ１（第１初期化量子基本演算命令グループ、５１０）に含まれた２個のＩＮＩＴ命令を並列に行って、ＳＷＡＰ動作に用いる２個の臨時論理キュービットを｜０＞状態に初期化した結果を示す図である（１８２０）。ＳＷＡＰ動作には、臨時論理キュービット（ｊ）と臨時論理キュービット（ｎ）を用いる。
【0174】
図１８Ｃは、図５の量子基本演算命令グループ２（第１併合量子基本演算命令グループ、５２０）に含まれた２個のＭＥＲＧＥ＿ＭＸＸ命令を並列に行って、併合論理キュービット（ｉ＿ｋ）と併合論理キュービット（ｍ＿ｎ）を生成した結果を示す図である（１８３０）。
【0175】
図１８Ｄは、図５の量子基本演算命令グループ３（第１分割量子基本演算命令グループ、５３０）に含まれた２個のＳＰＬＩＴ＿ＭＸＸ命令を並列に行って、併合論理キュービット（ｊ＿ｋ）を論理キュービット（ｊ）と論理キュービット（ｋ）とに分割し、併合論理キュービット（ｍ＿ｎ）を論理キュービット（ｍ）と論理キュービット（ｎ）とに分割した結果を示す図である（１８４０）。
【0176】
図１８Ｅは、図５の量子基本演算命令グループ４（第１移動後処理量子基本演算命令グループ、５４０）に含まれた２個のＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＸＸ命令を並列に行った結果を示す（１８５０）。図１８Ｅの結果により、データ論理キュービット（ｍ）の状態はデータ論理キュービット（ｎ）に移動し、データ論理キュービット（ｋ）の状態はデータ論理キュービット（ｊ）に移動した。
【0177】
図１８Ｆは、図５の量子基本演算命令グループ５（第２初期化量子基本演算命令グループ、５５０）に含まれた２個のＩＮＩＴ命令を並列に行って、臨時論理キュービット（ｋ）と臨時論理キュービット（ｍ）を｜＋＞状態に初期化した結果を示す図である（１８６０）。
【0178】
図１８Ｇは、図５の量子基本演算命令グループ６（第２併合量子基本演算命令グループ、５６０）に含まれた２個のＭＥＲＧＥ＿ＭＺＺ命令を並列に行って、併合論理キュービット（ｊ＿ｍ）と併合論理キュービット（ｋ＿ｎ）を生成した結果を示す図である（１８７０）。
【0179】
図１８Ｈは、図５の量子基本演算命令グループ７（第２分割量子基本演算命令グループ、５７０）に含まれた２個のＳＰＬＩＴ＿ＭＺＺ命令を並列に行って、併合論理キュービット（ｊ＿ｍ）を論理キュービット（ｊ）と論理キュービット（ｍ）とに分割し、併合論理キュービット（ｋ＿ｎ）を論理キュービット（ｋ）と論理キュービット（ｎ）とに分割した結果を示す図である（１８８０）。
【0180】
図１８Ｉは、図５の量子基本演算命令グループ８（第２移動後処理量子基本演算命令グループ、５８０）に含まれた２個のＭＯＶＥ＿ＰＯＳＴ＿ＭＺＺ命令を並列に行った結果を示す（１８９０）。図１８Ｉの結果により、データ論理キュービット（ｊ）の状態はデータ論理キュービット（ｍ）に移動し、データ論理キュービット（ｎ）の状態はデータ論理キュービット（ｋ）に移動する。
【0181】
【0182】
【0183】
量子複合演算命令のうちＣＮＯＴ量子複合演算命令６００、７００は、第１論理キュービットおよび第２論理キュービットのいずれか１つをそれぞれ制御およびターゲットとして用いるＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄ－ＮＯＴ動作を行うようにする量子複合演算命令である。この時、第１および第２論理キュービットは、データ論理キュービットに相当する。
【0184】
このようなＣＮＯＴ量子複合演算命令６００、７００は、初期化量子基本演算命令グループ６１０と、第１および第２併合量子基本演算命令グループ６２０、６４０、７２０、７４０と、第１および第２分割量子基本演算命令グループ６３０、６５０、７３０、７５０と、ＣＮＯＴ後処理量子基本演算命令グループ６６０、７６０とを含むことができる。
【0185】
初期化量子基本演算命令グループ６１０、７１０は、ＣＮＯＴ動作に用いる臨時論理キュービットを初期化するための量子基本演算命令を含む。
【0186】
第１併合量子基本演算命令グループ６２０、７２０は、第１論理キュービットと臨時論理キュービットを対象に第２境界（Ｚ境界）または第１境界（Ｘ境界）に相応する第１併合論理キュービットを生成する量子基本演算命令を含む。
【0187】
第１分割量子基本演算命令グループ６３０、７３０は、第１併合論理キュービットを対象にもつれ状態の第１論理キュービットおよび臨時論理キュービットに分割する量子基本演算命令を含む。
【0188】
第２併合量子基本演算命令グループ６４０、７４０は、第２論理キュービットともつれ状態の臨時論理キュービットを対象に第１境界（Ｘ境界）または第２境界（Ｚ境界）に相応する第２併合論理キュービットを生成する量子基本演算命令を含む。
【0189】
第２分割量子基本演算命令グループ６５０、７５０は、第２併合論理キュービットを対象にもつれ状態の第２論理キュービットおよび臨時論理キュービットに分割する量子基本演算命令を含む。
【0190】
ＣＮＯＴ後処理量子基本演算命令グループ６６０、７６０は、もつれ状態の第１および第２論理キュービットと臨時論理キュービットに対するもつれ状態を解除する量子基本演算命令を含む。
【0191】
【0192】
まず、図１９Ａは、データ論理キュービット（ｍ）を制御として用いる時、ＣＮＯＴ動作を実行可能な４つのターゲットデータ論理キュービットを示す（１９１０）。データ論理キュービット（ｍ）は、データ論理キュービット（ｉ）、データ論理キュービット（ｋ）、データ論理キュービット（ｏ）、データ論理キュービット（ｑ）とＣＮＯＴ動作を行うことができる。
【0193】
図１９Ｂ～図１９Ｇは、データ論理キュービット（ｍ）を制御として用い、データ論理キュービット（ｉ）をターゲットとして用いるＣＮＯＴ命令実行結果の例を示す図である。この時、残りの３個のデータ論理キュービットに対するＣＮＯＴ動作も同様の方式で行われる。
【0194】
ＣＮＯＴを行う命令は、ＣＮＯＴ＿ＭＸＸ６００とＣＮＯＴ＿ＭＺＺ７００の２つに分類することができる。ＣＮＯＴ＿ＭＸＸ６００は、ターゲットとして用いるデータ論理キュービット（ｉ）を臨時論理キュービット（ｊ）と先に併合する方法であり、ＣＮＯＴ＿ＭＺＺ７００は、制御として用いるデータ論理キュービット（ｍ）を臨時論理キュービット（ｊ）と先に併合する方法である。図１９Ａ～図１９Ｇは、ＣＮＯＴ＿ＭＸＸ６００を行う方法であり、図２０Ａ～図２０Ｇは、ＣＮＯＴ＿ＭＺＺ７００を行う方法を説明するための図である。
【0195】
図１９Ｂは、図６の量子基本演算命令グループ１（初期化量子基本演算命令グループ、６１０）のＩＮＩＴ命令を行って、ＣＮＯＴ動作に用いる臨時論理キュービット（ｊ）を｜０＞状態に初期化した結果を示す図である（１９２０）。
【0196】
【0197】
図１９Ｄは、図６の量子基本演算命令グループ３（第１分割量子基本演算命令グループ、６３０）のＳＰＬＩＴ＿ＭＸＸ命令を行って、併合論理キュービット（ｉ＿ｊ）を論理キュービット（ｉ）と論理キュービット（ｊ）とに分割した結果を示す図である（１９４０）。
【0198】
【0199】
図１９Ｆは、図６の量子基本演算命令グループ５（第２分割量子基本演算命令グループ、６５０）のＳＰＬＩＴ＿ＭＺＺ命令を行って、併合論理キュービット（ｊ＿ｍ）を論理キュービット（ｊ）と論理キュービット（ｍ）とに分割した結果を示す図である（１９６０）。
【0200】
【0201】
図２０Ａ～図２０Ｇは、本発明の一実施例によるＣＮＯＴ＿ＭＺＺ量子複合演算命令の動作方式を説明するための図である。図２０Ａ～図２０Ｇは、ＣＮＯＴ＿ＭＺＺ命令の動作方式を示し、これを図７とともに説明する。
【0202】
図２０Ａは、データ論理キュービット（ｍ）を制御として用いる時、ＣＮＯＴ動作を実行可能な４つのターゲットデータ論理キュービットを示す（２０１０）。図２０Ｂ～図２０Ｇは、データ論理キュービット（ｍ）を制御として用い、データ論理キュービット（ｉ）をターゲットとして用いるＣＮＯＴの例を示す。この時、残りの３個のデータ論理キュービットに対するＣＮＯＴ動作も同様の方式で行われる。
【0203】
図２０Ｂは、図７の量子基本演算命令グループ１（初期化量子基本演算命令グループ、７１０）のＩＮＩＴ命令を行って、ＣＮＯＴ動作に用いる臨時論理キュービット（ｊ）を｜＋＞状態に初期化した結果を示す図である（２０２０）。
【0204】
【0205】
図２０Ｄは、図７の量子基本演算命令グループ３（第１分割量子基本演算命令グループ、７３０）のＳＰＬＩＴ＿ＭＺＺ命令を行って、併合論理キュービット（ｊ＿ｍ）を論理キュービット（ｉ）と論理キュービット（ｍ）とに分割した結果を示す図である（２０４０）。
【0206】
【0207】
図２０Ｆは、図７の量子基本演算命令グループ５（第２分割量子基本演算命令グループ、７５０）のＳＰＬＩＴ＿ＭＸＸ命令を行って、併合論理キュービット（ｉ＿ｊ）を論理キュービット（ｉ）と論理キュービット（ｊ）とに分割した結果を示す図である（２０６０）。
【0208】
【0209】
以下、図２１を参照して、本発明の一実施例による量子コンピューティングシステム８００により行われる動作方法について説明する。
【0210】
図２１は、本発明の一実施例による動作方法のフローチャートである。
【0211】
まず、論理キュービット量子コンパイラ８１０で、所定の量子コードが入力されて量子基本演算命令ベースの量子カーネルを出力する（２１１０）。
【0212】
次に、論理キュービット量子カーネル実行器８２０で、出力された量子カーネルに基づいて複数の物理キュービット量子命令を生成する（２１２０）。
【0213】
次に、物理キュービット量子システム８３０で、物理キュービット量子命令を受信して物理量子演算を行う（２１３０）。
【0214】
一方、上述した説明において、ステップ２１１０～２１３０は、本発明の実施形態により、追加的なステップにさらに分割されるか、より少ないステップで組合わされてもよい。また、一部のステップは、必要に応じて省略されてもよく、ステップ間の順序が変更されてもよい。これとともに、その他省略された内容であっても、図１～図２０Ｇの内容は図２１の動作方法にも適用可能である。
【0215】
以上、上述した本発明の一実施例は、ハードウェアであるコンピュータと結合されて実行されるために、プログラム（またはアプリケーション）で実現されて媒体に格納される。
【0216】
上述したプログラムは、前記コンピュータがプログラムを読み込んでプログラムで実現された前記方法を実行させるために、前記コンピュータのプロセッサ（ＣＰＵ）が前記コンピュータの装置インターフェースを介して読み込み可能なＣ、Ｃ＋＋、ＪＡＶＡ、Ｒｕｂｙ、機械語などのコンピュータ言語でコード化されたコード（Ｃｏｄｅ）を含むことができる。このようなコードは、前記方法を実行する必要な機能を定義した関数などに関連する機能的なコード（Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｃｏｄｅ）を含むことができ、前記機能を前記コンピュータのプロセッサが所定の手順どおりに実行させるのに必要な実行手順関連の制御コードを含むことができる。また、このようなコードは、前記機能を前記コンピュータのプロセッサが実行させるのに必要な追加情報やメディアが前記コンピュータの内部または外部メモリのどの位置（アドレス番地）で参照されるべきかに対するメモリ参照関連コードをさらに含むことができる。さらに、前記コンピュータのプロセッサが前記機能を実行させるために、遠隔（Ｒｅｍｏｔｅ）にある何らかの他のコンピュータやサーバなどと通信が必要な場合、コードは、前記コンピュータの通信モジュールを用いて遠隔にある何らかの他のコンピュータやサーバなどとどのように通信すべきか、通信時にどのような情報やメディアを送受信すべきか、などに対する通信関連コードをさらに含むことができる。
【0217】
前記格納される媒体は、レジスタ、キャッシュ、メモリなどのように、短い瞬間にデータを格納する媒体ではなく、半永久的にデータを格納し、機器によって読取（ｒｅａｄｉｎｇ）可能な媒体を意味する。具体的には、前記格納される媒体の例としては、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＤ－ＲＯＭ、磁気テープ、フロッピーディスク、光データ記憶装置などがあるが、これらに制限されない。すなわち、前記プログラムは、前記コンピュータ接続可能な多様なサーバ上の多様な記録媒体またはユーザの前記コンピュータ上の多様な記録媒体に格納されてもよい。また、前記媒体は、ネットワークで連結されたコンピュータシステムに分散して、分散方式でコンピュータ読出可能なコードが格納されてもよい。
【0218】
上述した本発明の説明は例示のためのものであり、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想や必須の特徴を変更することなく他の具体的な形態で容易に変形可能であることを理解するであろう。そのため、以上に述べた実施例は、あらゆる面で例示的であり、限定的ではないと理解しなければならない。例えば、単一形で説明されている各構成要素は分散して実施されてもよいし、同様に、分散したと説明されている構成要素も結合された形態で実施されてもよい。
【0219】
本発明の範囲は、上記の詳細な説明よりは後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味および範囲、そしてその均等概念から導出されるあらゆる変更または変形された形態が本発明の範囲に含まれると解釈されなければならない。
【符号の説明】
【0220】
８００：量子コンピューティングシステム
８１０：論理キュービット量子コンパイラ
８２０：論理キュービット量子カーネル実行器
８３０：物理キュービット量子システム
８１０：論理キュービット量子コンパイラ
８２０：論理キュービット量子カーネル実行器
８３０：物理キュービット量子システム
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図12A】
【図12B】
【図13A】
【図13B】
【図14A】
【図14B】
【図15A】
【図15B】
【図16A】
【図16B】
【図16C】
【図16D】
【図16E】
【図17A】
【図17B】
【図17C】
【図17D】
【図17E】
【図18A】
【図18B】
【図18C】
【図18D】
【図18E】
【図18F】
【図18G】
【図18H】
【図18I】
【図19A】
【図19B】
【図19C】
【図19D】
【図19E】
【図19F】
【図19G】
【図20A】
【図20B】
【図20C】
【図20D】
【図20E】
【図20F】
【図20G】
【図21】
