量子インフラストラクチャソフトウェアプロバイダーであるQ-CTRLは、最大100物理量子ビットでの量子フーリエ変換（QFT）サブルーチンの実験的実行を実証しました。arXiv（arXiv:2608.05435）で公開されたこの研究は、畳み込みQFTと呼ばれる構成的コンパイルアーキテクチャを提示しています。IBM Heron R3超伝導プロセッサibm_bostonで実行されたこの実証は、2100次元のヒルベルト空間にわたって周期信号周波数を解決し、量子ハードウェア上での機能的なQFTアルゴリズムの最大規模の実験的実行となります。
近未来およびフォールトトレラントアーキテクチャにおいてQFTのようなサブルーチンをスケールアップする際の主なボトルネックは、制限された接続レイアウト全体で相互作用をルーティングするために必要な2量子ビットゲートのオーバーヘッドです。線形最近傍（LNN）トポロジー上の標準的な直接実装は、全対全接続アーキテクチャと比較してかなりのルーティングペナルティを負います。Q-CTRLのコンパイル戦略は、恒等キャンセレーションを活用することでLNNレイアウト上のこのルーティングオーバーヘッドを完全に排除し、全n量子ビットQFTに対してn² – n個の2量子ビットCXゲート、最大の位相回転角d個を保持する近似QFT（AQFT）に対してd(2n – d – 1)個のCXゲートという、全対全アーキテクチャの理論的ベースラインに一致します。
物理ハードウェア上の実行を最適化するため、著者らは単一の補助量子ビットと2つの追加CXゲートを組み込むことで、LNNレイアウトを畳み込みAQFTに改良しました。補助量子ビットの追加により、初期のもつれ操作の方向依存チェーンが逆転し、アルゴリズムがd + 2量子ビットに及ぶコンパクトで並進不変なカーネル回路ガジェットとして合成できるようになります。カーネルがストライド長1で量子レジスタに沿ってステップする際、各物理量子ビットの因果的光錐履歴における2量子ビットゲートの平均数を最小化し、下流のロジックへのノイズ伝播を抑制します。
| [ QFTコンパイル戦略と性能ベンチマーク（ibm_boston） ] | ||
|---|---|---|
| コンパイル戦略と指標 | CXゲート複雑性と深さ | 実験的忠実度と信号忠実度 |
| 全対全ベースライン | • CX数: n² – n• AQFT CX: d(2n – d – 1) | • 理論的ベースライン（全対全物理接続が必要） |
| 低CX LNNコンパイル | • CX数: n² – n• AQFT CX: d(2n – d – 1) | • 線形最近傍トポロジーでのルーティングオーバーヘッドゼロ• CX深さ: (2d – 1)n – d(d + 1) + 3 |
| 畳み込みAQFT（Q-CTRLハードウェア実装） | • CX数: n² – n + 2• AQFT CX: d(2n – d – 1) + 2 | • 50量子ビット: プロセス忠実度11.4%（信号ピーク10.8倍）• 80量子ビット: プロセス忠実度1.8%（信号ピーク7.5倍）• 100量子ビット: ターゲット状態がモード出力として維持（信号対雑音比 > 1） |
実行中、量子ビットは高密度の畳み込みカーネルに一時的に参加した後、長いアイドルウィンドウに入ります。これらのアイドル期間は、Q-CTRLの堅牢なクロストーク抑制動的デカップリングシーケンスと「可能な限り遅く」（ALAP）ゲートスケジューリングを統合することで、デコヒーレンスとクロストークから保護されました。ランダムにサンプリングされた20のターゲット周波数にわたる実験的ベンチマークでは、畳み込みQFTは50量子ビットで11.4%、80量子ビットで1.8%の読み出し緩和プロセス忠実度を達成しました。100量子ビットまで、正しい整数周波数ビット列が一貫してバックグラウンドノイズを超える最高確率の測定結果として出現しました。
arXivで研究プレプリント（Convolutional QFT）をこちらでご覧ください。
2026年9月23日
