大阪大学・NTT・中央大学・東京大学、量子コンピュータのシミュレーション性能を向上させるアプローチを開発

現行の量子シミュレーションデバイスは、冷却温度の限界や環境からのノイズといった多くの実験的制約があるのが課題だ。

これまでの研究では、量子状態間にもつれ測定を実行し、実験的な限界を超える結果が得られる「蒸留」と呼ばれる手法が提案されていたが、系のサイズが大きくなるにつれて、測定回数が指数関数的に増大してしまうという問題を抱えていた。

こうした中、大阪大学大学院基礎工学研究科 量子情報・量子生命研究センターの箱嶋秀昭助教、NTTコンピュータ＆データサイエンス研究所の遠藤傑准特別研究員、山本薫研究員、中央大学の松崎雄一郎准教授、東京大学大学院工学系研究科の吉岡信行助教は、量子コンピュータにおけるシミュレーション性能を向上させる新しいアプローチを発表した。

この方法は、局所性と呼ばれる物理学の基本的な概念を量子シミュレーションの実用化に応用したものだ。

今回、研究グループは、着目する局所領域にのみ蒸留する「局所仮想純化法」という手法を提案し、クラスター性と呼ばれる、物理学における基本的な性質が成立するという条件のもとで、測定回数の問題が解決することを理論的に証明した。

具体的には、局所性という物理学の基本概念を考察し、量子シミュレーションに必要なもつれ測定を全域ではなく、着目する局所領域に限定する新しい手法「局所仮想純化法」を提案した。（トップ画概念図）

熱平衡状態のように自然界にて普遍的に実現される状態では、遠く離れた地点間での実験結果は相関を持たない「クラスター性」という性質が広く成立するとされている。

量子シミュレーションにより生成される状態がこの性質を持っていれば、遠く離れた地点での蒸留による純度向上操作は、出力結果に影響を及ぼさない。つまり、全域的ではなく局所的な蒸留が可能であり、測定回数の指数関数的な増大の問題を解決できることが期待されている。

今回の研究では、上記の期待が現実となるような理論的な条件を明らかにしたのだという。

具体的には、冷却やノイズ緩和タスクに局所仮想純粋化法が適用できるための条件、つまり局所的に制限された蒸留操作が数学的に正当化される条件を示した。

加えて、条件が完全に満たされない場合であっても、局所的な操作への置き換えが依然として有効であることを数値的に示した。

さらに、先行研究で独立に提唱された冷却とノイズ緩和タスクを同時に実行可能であることも提案し、このタスクを全域的ではなく局所的なものに置き換えることができることも数値的に示した。

今後の方向性としては、トポロジカル秩序の検出や量子カオス性を特徴付ける量の測定など、冷却とノイズ緩和以外への応用が考えられるとしている。

なお、今回の研究は、2024年8月22日に米国科学雑誌「Physical Review Letters」のオンライン版に掲載されたとのことだ。

IoTNEWS編集部

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