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公開番号2025130570
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-08
出願番号2024027825
出願日2024-02-27
発明の名称量子計算制御プログラム、量子計算制御方法、および情報処理装置
出願人富士通株式会社,東京エレクトロン株式会社
代理人弁理士法人扶桑国際特許事務所
主分類G06N 10/60 20220101AFI20250901BHJP(計算;計数)
要約【課題】分子の基底状態のエネルギー期待値の計算時間を短縮する。
【解決手段】情報処理装置10は、第1の量子ビットと第2の量子ビットとを組み合わせた複数の量子ビットペアを作成する。第1の量子ビットは、初期配置において電子が存在する第1の軌道に対応する。第2の量子ビットは、初期配置において電子が存在しない第2の軌道に対応する。情報処理装置10は、2量子ビットゲート4a～4jを、複数の量子ビットペアのうちの少なくとも一部に作用させる量子回路3を生成する。2量子ビットゲート4a～4jは、第1の量子ビットと第2の量子ビットとの状態を入れ替えない第1の状態と入れ替えられた第2の状態とのパラメータの値に応じた重ね合わせ状態を生じさせる量子ゲートである。量子回路3を量子コンピュータ1に繰り返し実行させることで、分子の基底状態でのエネルギー期待値を取得する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
分子の複数の軌道それぞれを占有する電子の有無を示す複数の量子ビットのうちの、初期配置において電子が存在する第１の軌道に対応する第１の量子ビットと、前記初期配置において電子が存在しない第２の軌道に対応する第２の量子ビットとを組み合わせた複数の量子ビットペアを作成し、
前記第１の量子ビットと前記第２の量子ビットの状態を入れ替えない第１の状態と前記状態が入れ替えられた第２の状態とのパラメータの値に応じた重ね合わせ状態を生じさせる２量子ビットゲートを、前記複数の量子ビットペアのうちの少なくとも一部に作用させる量子回路を生成し、
前記２量子ビットゲートの前記パラメータの値を更新しながら前記量子回路を量子コンピュータに繰り返し実行させることで、前記分子の基底状態でのエネルギー期待値を取得する、
処理をコンピュータに実行させる量子計算制御プログラム。
続きを表示（約 1,600 文字）【請求項２】
前記量子回路を生成する処理では、前記複数の量子ビットペアそれぞれについて、前記２量子ビットゲートを作用させることによる前記分子のエネルギー期待値を低下させる効果に関する評価値を計算し、前記評価値に基づいて、前記２量子ビットゲートを作用させる前記量子ビットペアを決定する、
請求項１記載の量子計算制御プログラム。
【請求項３】
前記量子回路を生成する処理では、前記複数の量子ビットペアそれぞれを評価対象として、評価対象の量子ビットペアに対して前記２量子ビットゲートを作用させ、評価対象外の量子ビットペアに対して前記２量子ビットゲートを作用させない評価用量子回路を生成し、前記２量子ビットゲートの前記パラメータの値を更新しながら前記評価用量子回路を前記量子コンピュータに繰り返し実行させることで得られるエネルギー期待値を前記評価値とする、
請求項２記載の量子計算制御プログラム。
【請求項４】
前記量子回路を生成する処理では、前記複数の量子ビットペアそれぞれを評価対象として、評価対象の量子ビットペアに対して前記２量子ビットゲートを作用させ、評価対象外の量子ビットペアに対して前記２量子ビットゲートを作用させない評価用量子回路を生成し、前記評価用量子回路を前記量子コンピュータに実行させることで、前記２量子ビットゲートの前記パラメータが所定値の場合におけるエネルギー期待値の微分係数を取得し、取得した前記微分係数を前記評価値とする、
請求項２記載の量子計算制御プログラム。
【請求項５】
前記複数の量子ビットペアを作成する処理では、αスピンの電子を配置できる前記第１の軌道に対応する前記第１の量子ビットと、βスピンの電子を配置できる前記第２の軌道に対応する前記第２の量子ビットとの前記量子ビットペアの作成を抑止し、βスピンの電子を配置できる前記第１の軌道に対応する前記第１の量子ビットと、αスピンの電子を配置できる前記第２の軌道に対応する前記第２の量子ビットとの前記量子ビットペアの作成を抑止する、
請求項１記載の量子計算制御プログラム。
【請求項６】
分子の複数の軌道それぞれを占有する電子の有無を示す複数の量子ビットのうちの、初期配置において電子が存在する第１の軌道に対応する第１の量子ビットと、前記初期配置において電子が存在しない第２の軌道に対応する第２の量子ビットとを組み合わせた複数の量子ビットペアを作成し、
前記第１の量子ビットと前記第２の量子ビットの状態を入れ替えない第１の状態と前記状態が入れ替えられた第２の状態とのパラメータの値に応じた重ね合わせ状態を生じさせる２量子ビットゲートを、前記複数の量子ビットペアのうちの少なくとも一部に作用させる量子回路を生成し、
前記２量子ビットゲートの前記パラメータの値を更新しながら前記量子回路を量子コンピュータに繰り返し実行させることで、前記分子の基底状態でのエネルギー期待値を取得する、
処理をコンピュータが実行する量子計算制御方法。
【請求項７】
分子の複数の軌道それぞれを占有する電子の有無を示す複数の量子ビットのうちの、初期配置において電子が存在する第１の軌道に対応する第１の量子ビットと、前記初期配置において電子が存在しない第２の軌道に対応する第２の量子ビットとを組み合わせた複数の量子ビットペアを作成し、前記第１の量子ビットと前記第２の量子ビットの状態を入れ替えない第１の状態と前記状態が入れ替えられた第２の状態とのパラメータの値に応じた重ね合わせ状態を生じさせる２量子ビットゲートを、前記複数の量子ビットペアのうちの少なくとも一部に作用させる量子回路を生成し、前記２量子ビットゲートの前記パラメータの値を更新しながら前記量子回路を量子コンピュータに繰り返し実行させることで、前記分子の基底状態でのエネルギー期待値を取得する処理部、
を有する情報処理装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子計算制御プログラム、量子計算制御方法、および情報処理装置に関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
量子コンピュータを使用した量子化学計算の１つに変分量子固有値ソルバー法（ＶＱＥ：Variational Quantum Eigensolver）と呼ばれる計算手法がある。ＶＱＥは、量子力学の多電子系における物理量の固有値（例えばエネルギーの最小固有値）および固有状態を計算する手法である。ＶＱＥでは、例えば以下の手順で、分子の基底状態のエネルギー期待値（エネルギーの最小固有値）が計算される。
１．古典コンピュータからの制御により、量子コンピュータ内に量子力学の多電子系における試行状態｜ψ（θ）＞を生成する（θは実数のパラメータ）。
２．量子コンピュータが試行状態のエネルギーの期待値「＜ψ（θ）｜Ｈ｜ψ（θ）＞」を計算する（Ｈはハミルトニアン）。
３．古典コンピュータは、エネルギーの期待値の計算結果をもとに、その期待値「＜ψ（θ）｜Ｈ｜ψ（θ）＞」を小さくするようにパラメータθの値を更新する。
【０００３】
古典コンピュータと量子コンピュータとの連係動作により、エネルギーの期待値「＜ψ（θ）｜Ｈ｜ψ（θ）＞」の値が収束するまで上記の処理が繰り返される。これにより、近似的なエネルギー最小値およびその状態が求まる。
【０００４】
試行状態｜ψ（θ）＞の関数形は、量子コンピュータでの計算効率がよいものが選択される。試行状態としては、ＵＣＣ（Unitary Coupled-Cluster）ａｎｓａｔｚ、ＳｙｍｍｅｔｒｙＰｒｅｓｅｒｖｉｎｇＡｎｓａｔｚなどがある。
【０００５】
ＶＱＥに関連する技術としては、例えば状態準備および測定反復の数を低減して、量子アルゴリズムまたは古典－量子アルゴリズム内の演算子平均化を実施する量子力学的オブザーバブルの期待値を推定するための方法が提案されている。また量子コンピューティング・マシンのための高ハードウェア効率ＶＱＥを実現するためのシステムも提案されている。さらに複数の演算子のうちの各演算子の測定値を決定するためのコンピュータ実装方法も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２０２３－９９００３号公報
特表２０２０－５３４６０７号公報
特表２０２２－５４４９２６号公報
【非特許文献】
【０００７】
Bryan T. Gard, Linghua Zhu, George S. Barron, Nicholas J. Mayhall, Sophia E. Economou & Edwin Barnes, "Efficient symmetry-preserving state preparation circuits for the variational quantum eigensolver algorithm", npj Quantum Information volume 6, Article number: 10 (2020), 28 January 2020
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＳｙｍｍｅｔｒｙＰｒｅｓｅｒｖｉｎｇＡｎｓａｔｚは、ＵＣＣａｎｓａｔｚに比べて、Ｈａｒｔｒｅｅ－Ｆｏｃｋ状態と励起状態との重ね合わせの状態を簡易な量子ゲートで実現できる。しかし、ＳｙｍｍｅｔｒｙＰｒｅｓｅｒｖｉｎｇＡｎｓａｔｚでは、隣接する量子ビットの組に対してのみゲート操作を行うため、精度のよい結果を得るには、隣接する量子ビットの組に対するゲート操作を繰り返し行うこととなる。そのため、ａｎｓａｔｚの回路長が深くなると共に、パラメータ数も増加する。回路長が深いとエネルギー期待値の１回あたりの計算に時間がかかる。またパラメータ数が多いと、エネルギーの期待値が収束するまでの計算の繰返し回数が多くなり、ＶＱＥ全体の計算に時間がかかる。このように従来技術では、ＶＱＥにより分子の基底状態のエネルギー期待値を高精度に計算するには、計算に時間がかかる。
【０００９】
１つの側面では、本件は、分子の基底状態のエネルギー期待値の計算時間を短縮することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
１つの案では、以下の処理をコンピュータに実行させる量子計算制御プログラムが提供される。
コンピュータは、分子の複数の軌道それぞれを占有する電子の有無を示す複数の量子ビットのうちの、初期配置において電子が存在する第１の軌道に対応する第１の量子ビットと、初期配置において電子が存在しない第２の軌道に対応する第２の量子ビットとを組み合わせた複数の量子ビットペアを作成する。コンピュータは、第１の量子ビットと第２の量子ビットの状態を入れ替えない第１の状態と状態が入れ替えられた第２の状態とのパラメータの値に応じた重ね合わせ状態を生じさせる２量子ビットゲートを、複数の量子ビットペアのうちの少なくとも一部に作用させる量子回路を生成する。そしてコンピュータは、２量子ビットゲートのパラメータの値を更新しながら量子回路を量子コンピュータに繰り返し実行させることで、分子の基底状態でのエネルギー期待値を取得する。
【発明の効果】
（【００１１】以降は省略されています）

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