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JP7499540B2 - Quantum information processing method for open quantum systems, classical computer, quantum computer, quantum information processing program, and data structure - Google Patents
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Description

開示の技術は、開放量子系のための量子情報処理方法、古典コンピュータ、量子コンピュータ、量子情報処理プログラム、及びデータ構造に関する。 The disclosed technology relates to quantum information processing methods, classical computers, quantum computers, quantum information processing programs, and data structures for open quantum systems.

従来、変分量子固有値計算(VQE : Variational-Quantum-Eigensolver)(以下、単に「VQE」と称する。)が知られている(例えば、非特許文献1を参照。)。VQEは、量子回路のパラメータを逐次的に更新することにより、ハミルトニアンの最小の固有値を近似的に計算する。 Conventionally, variational quantum eigensolver (VQE) (hereinafter simply referred to as "VQE") is known (see, for example, Non-Patent Document 1). VQE approximately calculates the smallest eigenvalue of a Hamiltonian by sequentially updating the parameters of a quantum circuit.

A. Peruzzo, J. McClean, P. Shadbolt, M.-H. Yung, X.-Q. Zhou, P. J. Love, A. Aspuru-Guzik and J. L.O’Brien, "A variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor.", Nature Communications,5, article number: 4213, 2014.A. Peruzzo, J. McClean, P. Shadbolt, M.-H. Yung, X.-Q. Zhou, P. J. Love, A. Aspuru-Guzik and J. L.O’Brien, "A variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor.", Nature Communications,5, article number: 4213, 2014.

しかし、上記非特許文献1に開示されているVQEは、孤立量子系を前提としており、開放量子系については考慮されていない。 However, the VQE disclosed in the above-mentioned non-patent document 1 is based on the premise of an isolated quantum system, and does not take open quantum systems into consideration.

開示の技術は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、開放量子系における、定常状態及び定常状態における物理量を計算することができる、開放量子系のための量子情報処理方法、古典コンピュータ、量子コンピュータ、量子情報処理プログラム、及びデータ構造を提供することを目的とする。 The disclosed technology has been made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a quantum information processing method, classical computer, quantum computer, quantum information processing program, and data structure for an open quantum system that can calculate the steady state and physical quantities in the steady state in the open quantum system.

上記の目的を達成するために本開示の第1態様の開放量子系のための量子情報処理方法は、古典コンピュータと量子コンピュータとを含むハイブリッドシステムが実行する量子情報処理方法であって、前記古典コンピュータが、ハミルトニアンと、散逸演算子とに基づいて、リンドブラディアンを計算し、前記古典コンピュータが、前記リンドブラディアンに応じた目的関数を計算し、前記古典コンピュータが、開放量子系の定常状態を求めるための第1の量子回路の構造を決定し、前記古典コンピュータが、前記目的関数と、前記第1の量子回路の構造と、前記第1の量子回路のパラメータの初期値とを出力し、前記量子コンピュータが、前記古典コンピュータから出力された、前記目的関数と前記第1の量子回路の構造と前記パラメータの初期値とに応じて、VQE(Variational-Quantum-Eigensolver)を用いた量子計算を実行し、前記第1の量子回路のパラメータを生成し、前記第1の量子回路のパラメータを出力し、前記古典コンピュータが、前記量子コンピュータから出力された前記第1の量子回路のパラメータに応じて、測定用の量子ビットの初期値を設定し、前記古典コンピュータが、測定対象の物理量を表す情報と、定常状態における前記測定対象の物理量を測定するための第2の量子回路と、前記測定用の量子ビットの初期値とを出力し、前記量子コンピュータが、前記古典コンピュータから出力された、前記測定対象の物理量を表す情報と、前記第2の量子回路と、前記測定用の量子ビットの初期値とに応じた量子計算を実行し、前記量子計算の測定結果を出力し、前記古典コンピュータが、前記量子コンピュータから出力された前記測定結果に応じて、前記測定対象の物理量の計算結果を出力する、処理を含む開放量子系のための量子情報処理方法である。 In order to achieve the above object, the quantum information processing method for an open quantum system according to the first aspect of the present disclosure is a quantum information processing method executed by a hybrid system including a classical computer and a quantum computer, in which the classical computer calculates a Lindebradian based on a Hamiltonian and a dissipation operator, the classical computer calculates an objective function according to the Lindebradian, the classical computer determines the structure of a first quantum circuit for obtaining a stationary state of the open quantum system, the classical computer outputs the objective function, the structure of the first quantum circuit, and initial values of parameters of the first quantum circuit, and the quantum computer calculates a quantum calculation using a variational-quantum-Eigensolver (VQE) according to the objective function, the structure of the first quantum circuit, and the initial values of the parameters output from the classical computer. a classical computer performs a quantum calculation according to the information representing the physical quantity of the object to be measured, the second quantum circuit, and the initial value of the measurement quantum bit, the classical computer performs a quantum calculation according to the information representing the physical quantity of the object to be measured output from the classical computer, the second quantum circuit, and the initial value of the measurement quantum bit, the quantum computer outputs a measurement result of the quantum calculation, and the classical computer outputs a calculation result of the physical quantity of the object to be measured according to the measurement result output from the quantum computer.

本開示の第2態様の前記古典コンピュータは、前記第1の量子回路の構造を決定する際に、以下の式(A)に表す条件(II)及び条件(III)を満たすように、前記第1の量子回路の構造を決定し、前記古典コンピュータは、前記第2の量子回路を出力する際に、以下の式(A)に表す条件(I)、条件(II)、及び条件(III)を満たす前記第2の量子回路を出力する開放量子系のための量子情報処理方法である。 The classical computer of the second aspect of the present disclosure is a quantum information processing method for an open quantum system in which, when determining the structure of the first quantum circuit, the classical computer determines the structure of the first quantum circuit so as to satisfy conditions (II) and (III) expressed in the following formula (A), and, when outputting the second quantum circuit, the classical computer outputs the second quantum circuit that satisfies conditions (I), (II), and (III) expressed in the following formula (A).








(A)







(A)

ただし、ρ^は開放量子系における混合状態の密度行列を表し、ρ^はρ^のエルミート共役を表し、|ψ>は量子状態を表す。また、任意の|ψ>について上記(II)が成立する。 where ρ^ denotes the density matrix of the mixed state in an open quantum system, ρ^ denotes the Hermitian conjugate of ρ^, and |ψ> denotes a quantum state. Moreover, the above (II) holds for any |ψ>.

本開示の第3態様の前記第1の量子回路を表す行列は、固有値の分布を生成するための行列と、基底変換を行うための行列とを含む。 The matrix representing the first quantum circuit of the third aspect of the present disclosure includes a matrix for generating a distribution of eigenvalues and a matrix for performing a basis transformation.

本開示の第4態様の前記第1の量子回路のパラメータには、固有値の分布を制御するパラメータθと、基底変換を行うための行列のパラメータφとが含まれる。 The parameters of the first quantum circuit of the fourth aspect of the present disclosure include a parameter θ that controls the distribution of eigenvalues and a parameter φ of a matrix for performing a basis transformation.

本開示の第5態様の前記古典コンピュータは、前記測定用の量子ビットの初期値を設定する際に、前記量子コンピュータによって生成された前記パラメータθに応じて確率λ(θ)を計算し、計算した前記確率λ(θ)に応じて、前記測定用の量子ビットの初期値を設定する。 In the fifth aspect of the present disclosure, when setting the initial value of the measurement quantum bit, the classical computer calculates a probability λ q' ) according to the parameter θ ' generated by the quantum computer, and sets the initial value of the measurement quantum bit according to the calculated probability λ q' ).

本開示の第6態様の前記第2の量子回路は、前記量子コンピュータによって生成された前記パラメータφが反映された、前記第1の量子回路のうちのユニタリー回路U(φ)である。 The second quantum circuit of a sixth aspect of the present disclosure is a unitary circuit U(φ ' ) of the first quantum circuit, in which the parameter φ ' generated by the quantum computer is reflected.

本開示の第7態様は、前記量子コンピュータによる量子計算の計算結果が収束するまで、前記古典コンピュータによる前記測定用の量子ビットの初期値の設定と、前記量子コンピュータによる前記測定用の量子ビットの初期値に応じた量子計算の実行と、を繰り返す。 A seventh aspect of the present disclosure repeats setting the initial value of the measurement quantum bit by the classical computer and executing the quantum computation by the quantum computer according to the initial value of the measurement quantum bit until the calculation result of the quantum computation by the quantum computer converges.

本開示の第8態様の前記古典コンピュータと前記量子コンピュータとはコンピュータネットワークを介して接続されており、前記古典コンピュータと前記量子コンピュータとは、前記コンピュータネットワークを介して情報の送受信を行う。 The classical computer and the quantum computer of the eighth aspect of the present disclosure are connected via a computer network, and the classical computer and the quantum computer transmit and receive information via the computer network.

本開示の第9態様は、古典コンピュータが、ハミルトニアンと、散逸演算子とに基づいて、リンドブラディアンを計算し、前記リンドブラディアンに応じた目的関数を計算し、開放量子系の定常状態を求めるための第1の量子回路の構造を決定し、前記第1の量子回路の構造と、前記第1の量子回路のパラメータの初期値とを出力し、量子コンピュータから出力された、前記第1の量子回路の構造と前記パラメータの初期値とに基づきVQE(Variational-Quantum-Eigensolver)を用いた量子計算により生成された前記第1の量子回路のパラメータに応じて、測定用の量子ビットの初期値を設定し、測定対象の物理量を表す情報と、定常状態における前記測定対象の物理量を測定するための第2の量子回路と、前記測定用の量子ビットの初期値とを出力し、前記量子コンピュータから出力された、前記測定対象の物理量を表す情報と、前記測定用の量子回路である第2の量子回路と、前記測定用の量子ビットの初期値とに応じた量子計算の測定結果に応じて、前記測定対象の物理量の計算結果を出力する、処理を実行する開放量子系のための量子情報処理方法である。 A ninth aspect of the present disclosure is a quantum information processing method for an open quantum system, in which a classical computer calculates a Lindebrandian based on a Hamiltonian and a dissipation operator, calculates an objective function according to the Lindebrandian, determines the structure of a first quantum circuit for determining a stationary state of an open quantum system, outputs the structure of the first quantum circuit and initial values of parameters of the first quantum circuit, sets initial values of measurement quantum bits according to parameters of the first quantum circuit generated by quantum calculation using a VQE (Variational-Quantum-Eigensolver) based on the structure of the first quantum circuit and the initial values of the parameters output from the quantum computer, outputs information representing a physical quantity of the measurement target, a second quantum circuit for measuring the physical quantity of the measurement target in a stationary state, and the initial values of the measurement quantum bits, and outputs a calculation result of the physical quantity of the measurement target according to the information representing the physical quantity of the measurement target output from the quantum computer, the second quantum circuit being the measurement quantum circuit, and the initial values of the measurement quantum bits.

本開示の第10態様は、量子コンピュータが、古典コンピュータから出力された、ハミルトニアンと散逸演算子とに基づき計算されたリンドブラディアンに応じた目的関数と、開放量子系の定常状態を求めるための第1の量子回路の構造と、前記第1の量子回路のパラメータの初期値とに応じて、VQE(Variational-Quantum-Eigensolver)を用いた量子計算を実行し、前記第1の量子回路のパラメータを生成し、前記第1の量子回路のパラメータを出力し、前記古典コンピュータから出力された、測定対象の物理量を表す情報と、定常状態における前記測定対象の物理量を測定するための第2の量子回路と、前記第1の量子回路のパラメータに応じて設定された測定用の量子ビットの初期値と、に応じた量子計算を実行し、前記量子計算の測定結果を出力する、処理を実行する開放量子系のための量子情報処理方法である。 A tenth aspect of the present disclosure is a quantum information processing method for an open quantum system that executes a process in which a quantum computer executes a quantum calculation using a variational quantum eigensolver (VQE) in accordance with an objective function corresponding to a Lindbrandian calculated based on a Hamiltonian and a dissipation operator output from a classical computer, a structure of a first quantum circuit for determining a stationary state of an open quantum system, and initial values of parameters of the first quantum circuit, generates parameters of the first quantum circuit, outputs the parameters of the first quantum circuit, executes a quantum calculation in accordance with information representing a physical quantity of a measurement object output from the classical computer, a second quantum circuit for measuring the physical quantity of the measurement object in a stationary state, and initial values of measurement quantum bits set in accordance with the parameters of the first quantum circuit, and outputs a measurement result of the quantum calculation.

本開示の第11態様は、ハミルトニアンと、散逸演算子とに基づいて、リンドブラディアンを計算し、前記リンドブラディアンに応じた目的関数を計算し、開放量子系の定常状態を求めるための第1の量子回路の構造を決定し、前記第1の量子回路の構造と、前記第1の量子回路のパラメータの初期値とを出力し、量子コンピュータから出力された、前記第1の量子回路の構造と前記パラメータの初期値とに基づきVQE(Variational-Quantum-Eigensolver)を用いた量子計算により生成された前記第1の量子回路のパラメータに応じて、測定用の量子ビットの初期値を設定し、測定対象の物理量を表す情報と、定常状態における前記測定対象の物理量を測定するための第2の量子回路と、前記測定用の量子ビットの初期値とを出力し、前記量子コンピュータから出力された、前記測定対象の物理量を表す情報と、前記測定用の量子回路である第2の量子回路と、前記測定用の量子ビットの初期値とに応じた量子計算の測定結果に応じて、前記測定対象の物理量の計算結果を出力する、処理を実行する古典コンピュータである。 The eleventh aspect of the present disclosure is a classical computer that executes the following process: calculates the Lindebrandian based on a Hamiltonian and a dissipation operator; calculates an objective function according to the Lindebrandian; determines the structure of a first quantum circuit for determining the stationary state of an open quantum system; outputs the structure of the first quantum circuit and initial values of parameters of the first quantum circuit; sets initial values of measurement quantum bits according to parameters of the first quantum circuit generated by quantum calculation using a VQE (Variational-Quantum-Eigensolver) based on the structure of the first quantum circuit and the initial values of the parameters output from the quantum computer; outputs information representing the physical quantity of the object to be measured, a second quantum circuit for measuring the physical quantity of the object to be measured in the stationary state, and the initial values of the measurement quantum bits; and outputs a calculation result of the physical quantity of the object to be measured according to the measurement result of the quantum calculation according to the information representing the physical quantity of the object to be measured output from the quantum computer, the second quantum circuit that is the measurement quantum circuit, and the initial values of the measurement quantum bits.

本開示の第12態様は、古典コンピュータから出力された、ハミルトニアンと散逸演算子とに基づき計算されたリンドブラディアンに応じた目的関数と、開放量子系の定常状態を求めるための第1の量子回路の構造と、前記第1の量子回路のパラメータの初期値とに応じて、VQE(Variational-Quantum-Eigensolver)を用いた量子計算を実行し、前記第1の量子回路のパラメータを生成し、前記第1の量子回路のパラメータを出力し、前記古典コンピュータから出力された、測定対象の物理量を表す情報と、定常状態における前記測定対象の物理量を測定するための第2の量子回路と、前記第1の量子回路のパラメータに応じて設定された測定用の量子ビットの初期値と、に応じた量子計算を実行し、前記量子計算の測定結果を出力する、処理を実行する量子コンピュータである。 A twelfth aspect of the present disclosure is a quantum computer that executes a process of performing a quantum computation using a VQE (Variational-Quantum-Eigensolver) in accordance with an objective function output from a classical computer according to a Lindbrandian calculated based on a Hamiltonian and a dissipation operator, the structure of a first quantum circuit for determining a stationary state of an open quantum system, and initial values of parameters of the first quantum circuit, generating parameters of the first quantum circuit, outputting the parameters of the first quantum circuit, performing a quantum computation in accordance with information representing a physical quantity of a measurement object output from the classical computer, a second quantum circuit for measuring the physical quantity of the measurement object in a stationary state, and initial values of measurement quantum bits set in accordance with the parameters of the first quantum circuit, and outputting a measurement result of the quantum computation.

本開示の第13態様は、ハミルトニアンと、散逸演算子とに基づいて、リンドブラディアンを計算し、前記リンドブラディアンに応じた目的関数を計算し、開放量子系の定常状態を求めるための第1の量子回路の構造を決定し、前記第1の量子回路の構造と、前記第1の量子回路のパラメータの初期値とを出力し、量子コンピュータから出力された、前記第1の量子回路の構造と前記パラメータの初期値とに基づきVQE(Variational-Quantum-Eigensolver)を用いた量子計算により生成された前記第1の量子回路のパラメータに応じて、測定用の量子ビットの初期値を設定し、測定対象の物理量を表す情報と、定常状態における前記測定対象の物理量を測定するための第2の量子回路と、前記測定用の量子ビットの初期値とを出力し、前記量子コンピュータから出力された、前記測定対象の物理量を表す情報と、前記測定用の量子回路である第2の量子回路と、前記測定用の量子ビットの初期値とに応じた量子計算の測定結果に応じて、前記測定対象の物理量の計算結果を出力する、処理を古典コンピュータに実行させるための量子情報処理プログラムである。 A thirteenth aspect of the present disclosure is a quantum information processing program for causing a classical computer to execute a process of: calculating a Lindebrandian based on a Hamiltonian and a dissipation operator; calculating an objective function according to the Lindebrandian; determining a structure of a first quantum circuit for determining a stationary state of an open quantum system; outputting the structure of the first quantum circuit and initial values of parameters of the first quantum circuit; setting initial values of measurement quantum bits according to parameters of the first quantum circuit generated by quantum calculation using a VQE (Variational-Quantum-Eigensolver) based on the structure of the first quantum circuit and the initial values of the parameters output from the quantum computer; outputting information representing a physical quantity of the measurement target, a second quantum circuit for measuring the physical quantity of the measurement target in a stationary state, and the initial values of the measurement quantum bits; and outputting a calculation result of the physical quantity of the measurement target according to the information representing the physical quantity of the measurement target output from the quantum computer, the second quantum circuit being the measurement quantum circuit, and the initial values of the measurement quantum bits.

本開示の第14態様は、古典コンピュータから出力された、ハミルトニアンと散逸演算子とに基づき計算されたリンドブラディアンに応じた目的関数と、開放量子系の定常状態を求めるための第1の量子回路の構造と、前記第1の量子回路のパラメータの初期値とに応じて、VQE(Variational-Quantum-Eigensolver)を用いた量子計算を実行し、前記第1の量子回路のパラメータを生成し、前記第1の量子回路のパラメータを出力し、前記古典コンピュータから出力された、測定対象の物理量を表す情報と、定常状態における前記測定対象の物理量を測定するための第2の量子回路と、前記第1の量子回路のパラメータに応じて設定された測定用の量子ビットの初期値と、に応じた量子計算を実行し、前記量子計算の測定結果を出力する、処理を量子コンピュータに実行させるための量子情報処理プログラムである。 A fourteenth aspect of the present disclosure is a quantum information processing program for causing a quantum computer to execute a process that executes a quantum calculation using a variational-quantum-Eigensolver (VQE) according to an objective function according to a Lindbrandian calculated based on a Hamiltonian and a dissipation operator, output from a classical computer, a structure of a first quantum circuit for determining a stationary state of an open quantum system, and initial values of parameters of the first quantum circuit, generates parameters of the first quantum circuit, outputs the parameters of the first quantum circuit, executes a quantum calculation according to information representing a physical quantity of a measurement object output from the classical computer, a second quantum circuit for measuring the physical quantity of the measurement object in a stationary state, and initial values of measurement quantum bits set according to the parameters of the first quantum circuit, and outputs a measurement result of the quantum calculation.

本開示の第15態様は、量子コンピュータの量子計算に用いられる量子回路の構成に関するデータ構造であって、開放量子系の定常状態を求めるための情報であって、固有値の分布を生成するための行列と基底変換を行うための行列とを表す情報を含み、前記量子回路と前記量子回路のパラメータの初期値とに基づくVQE(Variational-Quantum-Eigensolver)を用いた前記量子コンピュータによる量子計算によって、前記量子回路のパラメータを生成する処理に用いられる、データ構造である。 A fifteenth aspect of the present disclosure is a data structure relating to the configuration of a quantum circuit used in quantum computation by a quantum computer, the data structure being information for determining the stationary state of an open quantum system, including information representing a matrix for generating a distribution of eigenvalues and a matrix for performing a basis transformation, and used in a process of generating parameters of the quantum circuit by quantum computation by the quantum computer using a Variational-Quantum-Eigensolver (VQE) based on the quantum circuit and initial values of parameters of the quantum circuit.

開示の技術によれば、開放量子系における、定常状態及び定常状態における物理量を計算することができる、という効果が得られる。 The disclosed technology has the effect of being able to calculate the stationary state and the physical quantities at the stationary state in an open quantum system.

本実施形態のハイブリッドシステム100の概略構成の一例を示す図である。1 is a diagram illustrating an example of a schematic configuration of a hybrid system 100 according to an embodiment of the present invention. 古典コンピュータ110、制御装置121、及びユーザ端末130として機能するコンピュータの概略ブロック図である。FIG. 1 is a schematic block diagram of a classical computer 110, a control device 121, and a computer functioning as a user terminal 130. 本実施形態の量子回路の一例を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a quantum circuit according to an embodiment of the present invention. 本実施形態の量子回路の一例を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a quantum circuit according to an embodiment of the present invention. 本実施形態の量子回路を構成するD(θ)の一例を模式的に示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of D (θ) constituting the quantum circuit of the present embodiment. 本実施形態の量子回路を構成するD(θ)の一例を模式的に示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of D (θ) constituting the quantum circuit of the present embodiment. 本実施形態の量子回路を構成するU(φ)の一例を模式的に示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of U(φ) constituting the quantum circuit of the present embodiment. ハイブリッドシステム100の計算処理の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a calculation process of the hybrid system 100. 実施例におけるシミュレーション結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a simulation result in an example. 実施例におけるシミュレーション結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a simulation result in an example.

以下、図面を参照して開示の技術の実施形態を詳細に説明する。 Below, an embodiment of the disclosed technology will be described in detail with reference to the drawings.

<本実施形態に係るハイブリッドシステム100> <Hybrid system 100 according to this embodiment>

図1に、本実施形態に係るハイブリッドシステム100を示す。本実施形態のハイブリッドシステム100は、古典コンピュータ110と量子コンピュータ120とユーザ端末130とを備える。古典コンピュータ110と量子コンピュータ120とユーザ端末130とは、図1に示されるように、一例としてIP(Internet Protocol)ネットワークなどのコンピュータネットワークを介して接続されている。 Figure 1 shows a hybrid system 100 according to this embodiment. The hybrid system 100 according to this embodiment includes a classical computer 110, a quantum computer 120, and a user terminal 130. As shown in Figure 1, the classical computer 110, the quantum computer 120, and the user terminal 130 are connected via a computer network, such as an IP (Internet Protocol) network, for example.

本実施形態のハイブリッドシステム100においては、量子コンピュータ120が古典コンピュータ110からの要求に応じて所定の量子計算を行い、当該量子計算の計算結果を古典コンピュータ110へ出力する。古典コンピュータ110はユーザ端末130へ量子計算に応じた計算結果を出力する。これにより、ハイブリッドシステム100全体として所定の計算処理が実行される。 In the hybrid system 100 of this embodiment, the quantum computer 120 performs a specified quantum calculation in response to a request from the classical computer 110, and outputs the calculation result of the quantum calculation to the classical computer 110. The classical computer 110 outputs the calculation result according to the quantum calculation to the user terminal 130. In this way, the specified calculation process is executed by the hybrid system 100 as a whole.

古典コンピュータ110は、通信インターフェース等の通信部111と、プロセッサ、CPU(Central processing unit)等の処理部112と、メモリ、ハードディスク等の記憶装置又は記憶媒体を含む情報記憶部113とを備え、各処理を行うためのプログラムを実行することによって構成されている。なお、古典コンピュータ110は1又は複数の装置ないしサーバを含むことがある。また、当該プログラムは1又は複数のプログラムを含むことがあり、また、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記録して非一過性のプログラムプロダクトとすることできる。 The classical computer 110 is configured by having a communication unit 111 such as a communication interface, a processing unit 112 such as a processor or a CPU (Central processing unit), and an information storage unit 113 including a storage device or storage medium such as a memory or a hard disk, and by executing a program for performing each process. Note that the classical computer 110 may include one or more devices or servers. The program may include one or more programs, and may be recorded on a computer-readable storage medium to form a non-transient program product.

量子コンピュータ120は、一例として、古典コンピュータ110から送信される情報に基づいて量子ビット群123のうちの少なくとも何れかの量子ビットへ照射するための電磁波を生成する。そして、量子コンピュータ120は、生成された電磁波を、量子ビット群123のうちの少なくとも何れかの量子ビットへ照射することにより、量子回路を実行する。 As an example, the quantum computer 120 generates electromagnetic waves to be irradiated to at least one of the quantum bits in the quantum bit group 123 based on information transmitted from the classical computer 110. The quantum computer 120 then executes a quantum circuit by irradiating the generated electromagnetic waves to at least one of the quantum bits in the quantum bit group 123.

図1の例では、量子コンピュータ120は、古典コンピュータ110と通信を行う制御装置121と、制御装置121からの要求に応じて電磁波を生成する電磁波生成装置122と、電磁波生成装置122からの電磁波照射を受ける量子ビット群123とを備える。なお、本実施形態において「量子コンピュータ」とは、古典ビットによる演算を一切行わないことを意味するものではなく、量子ビットによる演算を含むコンピュータをいう。 In the example of FIG. 1, the quantum computer 120 includes a control device 121 that communicates with the classical computer 110, an electromagnetic wave generating device 122 that generates electromagnetic waves in response to requests from the control device 121, and a group of quantum bits 123 that receives electromagnetic wave irradiation from the electromagnetic wave generating device 122. Note that in this embodiment, the term "quantum computer" does not mean that no operations are performed using classical bits, but refers to a computer that includes operations using quantum bits.

制御装置121は、古典ビットにより演算を行う古典コンピュータであり、古典コンピュータ110において行うものとして本明細書にて説明する処理の一部又は全部を代替的に行う。例えば、制御装置121は、量子回路を予め記憶又は決定しておき、量子回路のパラメータを受信したことに応じて、量子ビット群123において量子回路を実行するための量子ゲート情報を生成してもよい。 The control device 121 is a classical computer that performs calculations using classical bits, and performs some or all of the processing described in this specification as being performed by the classical computer 110. For example, the control device 121 may store or determine a quantum circuit in advance, and generate quantum gate information for executing the quantum circuit in the quantum bit group 123 in response to receiving parameters of the quantum circuit.

ユーザ端末130は、古典ビットにより演算を行う古典コンピュータである。ユーザ端末130は、ユーザから入力された情報を受け付け、当該情報に応じた処理を実行する。 The user terminal 130 is a classical computer that performs calculations using classical bits. The user terminal 130 accepts information input by a user and executes processing according to that information.

古典コンピュータ110、制御装置121、及びユーザ端末130は、例えば、図2に示すコンピュータ50で実現することができる。コンピュータ50はCPU51、一時記憶領域としてのメモリ52、及び不揮発性の記憶部53を備える。また、コンピュータ50は、外部装置及び出力装置等が接続される入出力interface(I/F)54、及び記録媒体に対するデータの読み込み及び書き込みを制御するread/write(R/W)部55を備える。また、コンピュータ50は、インターネット等のネットワークに接続されるネットワークI/F56を備える。CPU51、メモリ52、記憶部53、入出力I/F54、R/W部55、及びネットワークI/F56は、バス57を介して互いに接続される。 The classical computer 110, the control device 121, and the user terminal 130 can be realized, for example, by a computer 50 shown in FIG. 2. The computer 50 includes a CPU 51, a memory 52 as a temporary storage area, and a non-volatile storage unit 53. The computer 50 also includes an input/output interface (I/F) 54 to which external devices and output devices are connected, and a read/write (R/W) unit 55 that controls the reading and writing of data from and to a recording medium. The computer 50 also includes a network I/F 56 that is connected to a network such as the Internet. The CPU 51, the memory 52, the storage unit 53, the input/output I/F 54, the R/W unit 55, and the network I/F 56 are connected to one another via a bus 57.

本実施形態のハイブリッドシステム100は、開放量子系の定常状態を計算する。以下、本実施形態の概要と前提となる事項とについて説明する。 The hybrid system 100 of this embodiment calculates the steady state of an open quantum system. Below, we will explain the overview of this embodiment and the prerequisites.

[本実施形態のハイブリッドシステム100の概要] [Overview of the hybrid system 100 of this embodiment]

本実施形態では、開放量子系である散逸系(dissipative-system)におけるVQE (以下、単に「dVQE」と称する。)を提案する。dVQEは、変分パラメータ(以下、単に「パラメータ」と称する。)により表される量子回路を用いて、開放量子系における非平衡定常状態(NESS : Non-Equilibrium Steady State)(以下、単に「定常状態」又は単に「NESS」とも称する。)を計算する。 In this embodiment, we propose VQE (hereinafter simply referred to as "dVQE") in a dissipative system, which is an open quantum system. dVQE calculates a non-equilibrium steady state (NESS) (hereinafter also simply referred to as "steady state" or simply "NESS") in an open quantum system using a quantum circuit represented by variational parameters (hereinafter simply referred to as "parameters").

本実施形態では、開放量子系における定常状態を計算する際、所定の物理的要請が課された量子回路を用いて量子計算を行う。具体的には、n個の量子ビットで記述される開放量子系の定常状態を得ようとする場合、本実施形態の量子回路は2n個の量子ビットによって表現される。 In this embodiment, when calculating the steady state of an open quantum system, quantum computation is performed using a quantum circuit that has certain physical requirements. Specifically, when attempting to obtain the steady state of an open quantum system described by n quantum bits, the quantum circuit of this embodiment is expressed by 2n quantum bits.

図3に、本実施形態において用いる量子回路を説明するための説明図を示す。図3に示されるように、本実施形態の量子回路は、物理的空間(又は、左空間とも称される。)に対応するn個の量子ビット70と、補助的空間(又は、右空間とも称される。)に対応するn個の量子ビット72と、によって表される。また、図3に示されるように、本実施形態の量子回路は、固有値分布を表す部分74と、基底変換を表す部分76と、が含まれている。 Figure 3 shows an explanatory diagram for explaining the quantum circuit used in this embodiment. As shown in Figure 3, the quantum circuit of this embodiment is represented by n quantum bits 70 corresponding to the physical space (also called the left space) and n quantum bits 72 corresponding to the auxiliary space (also called the right space). Also, as shown in Figure 3, the quantum circuit of this embodiment includes a portion 74 representing an eigenvalue distribution and a portion 76 representing a basis transformation.

本実施形態においては、まず、VQEを用いて、2n個の量子ビットにより表される量子回路のパラメータを最適化する。これにより、開放量子系の定常状態が得られる。VQEによって量子回路のパラメータが最適化された後、本実施形態では、2n個の量子ビットのうちのn個の量子ビットを除外する。そして、本実施形態では、n個の量子ビットで記述される開放量子系の定常状態の物理量を得る。以下、具体的に説明する。 In this embodiment, first, the parameters of a quantum circuit represented by 2n quantum bits are optimized using VQE. This results in a steady state of an open quantum system. After the parameters of the quantum circuit are optimized by VQE, in this embodiment, n quantum bits out of the 2n quantum bits are excluded. Then, in this embodiment, the physical quantities of the steady state of an open quantum system described by n quantum bits are obtained. This will be explained in detail below.

[1 リンドブラディアンによる開放量子系の表現について] [1 Lindbrandian representation of open quantum systems]

開放量子系は、外部環境との間において相互作用がある系である。また、開放量子系は、非ユニタリー時間発展(non-unitary time evolution)に従う系でもある。これに対し、孤立量子系はユニタリー時間発展(unitary time evolution)に従う。 An open quantum system is a system that has interactions with the external environment. Open quantum systems also follow non-unitary time evolution. In contrast, isolated quantum systems follow unitary time evolution.

本実施形態では、リンドブラディアンによって非ユニタリーな時間発展が記述されるような、開放量子系の定常状態を量子計算により求める。リンドブラディアンは、開放量子系における時間発展の演算子が課される2つの特性を有する。1つは完全正値トレース保存(CPTP : Completely Positive Trace Preserving map)という特性であり、もう1つはマルコフ性である。 In this embodiment, the steady state of an open quantum system whose non-unitary time evolution is described by the Lindbrandian is obtained by quantum computation. The Lindbrandian has two properties imposed on the operator of the time evolution in an open quantum system. One is the property of completely positive trace preserving map (CPTP), and the other is Markov property.

具体的には、混合状態ρ^(t)の時間発展は、既知であるリンドブラッド方程式によって与えられる(例えば、以下の参考文献1,2を参照)。 Specifically, the time evolution of the mixed state ρ^(t) is given by the well-known Lindblad equation (see, for example, references 1 and 2 below).

参考文献1:G. Lindblad. , "On the generators of quantum dynamical semigroups.", Comm. Math. Phys.,48(2):119-130, 1976.
参考文献2:Kristan Temme, Fernando Pastawski, and Michael J Kastoryano., "Hypercontractivity of quasifree quantum semigroups.", Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, 47(40):405303,2014.
Reference 1: G. Lindblad. , "On the generators of quantum dynamical semigroups.", Comm. Math. Phys.,48(2):119-130, 1976.
Reference 2: Kristan Temme, Fernando Pastawski, and Michael J Kastoryano. "Hypercontractivity of quasifree quantum semigroups." Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, 47(40):405303,2014.

有限次元のヒルベルト空間における、リンドブラディアンLの、混合状態ρ^(t)への作用Lρ^(t)は以下の式(1)によって表される。なお、記号に付された「^」は、当該記号が行列であることを明示している。 The action Lρ^(t) of the Lindbrandian L on the mixed state ρ^(t) in a finite-dimensional Hilbert space is expressed by the following equation (1). Note that the "^" attached to a symbol indicates that the symbol is a matrix.



(1)


(1)

なお、リンドブラディアンの作用する空間は、以下のように与えられる。 The space in which the Lindbrandian operates is given as follows:


また、有限次元のヒルベルト空間は、次式によって表される。 Finite-dimensional Hilbert spaces are expressed by the following formula:


なお、系のハミルトニアンH^の作用する空間は、以下のように与えられる。系のハミルトニアンH^は、時間発展のユニタリー部分を記述する。 The space in which the Hamiltonian H^ of the system acts is given as follows. The Hamiltonian H^ of the system describes the unitary part of the time evolution.


なお、上記式の超演算子D[Γ^]を混合状態ρ^(t)に作用させた場合、以下の式(2)によって表される。なお、「†」はエルミート共役を表す。 When the hyperoperator D[Γ^ k ] in the above formula is applied to the mixed state ρ^(t), it is expressed by the following formula (2): where "†" represents a Hermitian conjugate.



(2)


(2)

上記式(1)の右辺の第2項にある、振幅γkを持つような散逸は、純粋状態のコヒーレンスを破壊する役割を持ち、対応する超演算子の作用する空間が以下のように与えられる。 Dissipation with amplitude γ k in the second term on the right-hand side of the above equation (1) plays a role in destroying the coherence of the pure state, and the space in which the corresponding superoperator acts is given as follows:



なお、上記式(2)におけるΓ^は、k番目のジャンプ演算子であり散逸の詳細を決定する。 In addition, Γ^ k in the above equation (2) is the kth jump operator and determines the details of dissipation.

[1.1 リンドブラッド方程式のベクトル表現] [1.1 Vector representation of the Lindblad equation]

時間に依存しないリンドブラディアンは、以下の式(3)を満たす少なくとも1つの定常状態を有する。 The time-independent Lindebrandian has at least one steady state that satisfies equation (3) below.



(3)


(3)

上記式(3)におけるρ^SSは、NESS(例えば、以下の参考文献3を参照)の密度行列を表す。 In the above equation (3), ρ̂SS represents the density matrix of the NESS (see, for example, Reference 3 below).

参考文献3:A.Rivas and S.F. Huelga. "Open Quantum Systems: An Introduction.", Springer Briefs in Physics., Springer Berlin Heidelberg, 2011. Reference 3: A. Rivas and S.F. Huelga. "Open Quantum Systems: An Introduction.", Springer Briefs in Physics., Springer Berlin Heidelberg, 2011.

既知の数値計算手法を用いるために、本実施形態では、開放量子系における混合状態の密度「行列」ρ^が「演算子空間」と称される空間上の「ベクトル」|ρ>へ写像される。なお、密度行列ρ^の作用する空間は、以下のように与えられる。 In order to use known numerical calculation methods, in this embodiment, the density "matrix" ρ^ of the mixed state in an open quantum system is mapped to a "vector" |ρ> in a space called the "operator space." The space in which the density matrix ρ^ acts is given as follows:


また、ベクトル|ρ>の空間は、次式によって定義される。 The space of vectors |ρ> is defined by the following equation:


なお、状態の新たな表現はベクトル表現と称され、以下の式(4)によって表される。 The new representation of the state is called a vector representation and is expressed by the following equation (4).



(4)


(4)

なお、上記式(4)におけるCは正規化係数であり、次式によって表される。 Note that C in the above formula (4) is a normalization coefficient and is expressed by the following formula.


なお、2つの表現における正規化の方法は互いに異なっている。行列表現では、次式に示されるように、対角和が1になるように正規化される。一方で、ベクトル表現では、|ρ>のL2ノルムが1になるように正規化される。 The normalization methods used in the two representations are different. In the matrix representation, normalization is performed so that the diagonal sum becomes 1, as shown in the following equation. On the other hand, in the vector representation, normalization is performed so that the L2 norm of |ρ> becomes 1.


なお、ケットを表す記号|i>に対応する空間は物理空間と称され、ブラを表す記号<j|に対応する空間は補助空間と称される。または、ケットを表す記号|i>に対応する空間は左空間とも称される。また、ブラを表す記号<j|に対応する空間は右空間とも称される。 The space corresponding to the symbol |i>, which represents a ket, is called the physical space, and the space corresponding to the symbol <j|, which represents a bra, is called the auxiliary space. Alternatively, the space corresponding to the symbol |i>, which represents a ket, is also called the left space. Also, the space corresponding to the symbol <j|, which represents a bra, is also called the right space.

なお、これら2つの部分空間は、次式の下付き文字によって区別される。 These two subspaces are distinguished by the subscripts in the following formula:





,

なお、これら2つの部分空間の元は、例えば、次式によって表される。 The elements of these two subspaces are expressed, for example, by the following formula:





,

上記式(4)によって定義される写像を用いて、左から密度行列ρ^に作用する演算子A^は、次のように左空間(又は補助的空間)の演算子へ写像される。また、右から密度行列ρ^に作用する演算子B^は、次のように右空間(又は物理的空間)の演算子へ写像される。 Using the mapping defined by equation (4) above, the operator A^ acting on the density matrix ρ^ from the left is mapped to an operator in left space (or auxiliary space) as follows: The operator B^ acting on the density matrix ρ^ from the right is mapped to an operator in right space (or physical space) as follows:



(5)


(6)


(7)


(5)


(6)


(7)

ベクトル表現におけるリンドブラッド方程式を得るために、写像を表す上記式(5)を上記式(1)へ適用すると、以下の式(8)~(10)が導出される。 To obtain the Lindblad equation in vector representation, the above equation (5) which represents the mapping is applied to the above equation (1), and the following equations (8) to (10) are derived.



(8)


(9)


(10)


(8)


(9)


(10)

ベクトル表現のリンドブラディアンL^は、次式で表される空間上で作用する。 The Lindbrandian L^ vector representation operates on the space expressed by the following formula:


ベクトル表現を用いた場合、NESSを見つける問題は、標準的な線形代数の問題に帰着される。具体的には、以下の式(11)の非エルミート演算子により与えられる方程式を解くことによって、NESSの解が得られる。 When using the vector representation, the problem of finding the NESS reduces to a standard linear algebra problem. Specifically, the solution to the NESS is obtained by solving the equation given by the non-Hermitian operator in Equation (11) below.



(11)


(11)

固有値がゼロ以外の他の固有状態は、一般的に、以下の式(12)~(13)を満たす。 Other eigenstates whose eigenvalues are not zero generally satisfy the following equations (12) to (13).



(12)


(13)


(12)


(13)

ここで、|ρ>は、次式を満たす固有値におけるi番目の固有モードのベクトル表現である(例えば、参考文献3,4を参照)。また、λはi番目の固有値である。この場合、|ρ>は、減衰モードを意味する。 Here, |ρ i > is the vector representation of the i-th eigenmode at the eigenvalues that satisfy the following equation (see, for example, References 3 and 4), and λ i is the i-th eigenvalue. In this case, |ρ i > denotes the damping mode.


参考文献4:H.P. Breuer and F. Petruccione., "The Theory of Open Quantum Systems.", Oxford University Press, 2002. Reference 4: H.P. Breuer and F. Petruccione., "The Theory of Open Quantum Systems.", Oxford University Press, 2002.

なお、以下の式(B1)が成立する場合には以下の式(B2)が成立することが示され、複素固有値をもつ減衰モードは常に対になって現れる。なお、λ はλの複素共役である。 In addition, when the following formula (B1) is satisfied, the following formula (B2) is also satisfied, and damping modes having complex eigenvalues always appear in pairs. Note that λ * i is the complex conjugate of λi .



(B1)


(B2)


(B1)


(B2)

[2 dVQEの計算方法] [2 Calculation method for dVQE]

本実施形態は、開放量子系の定常状態を得るための変分法を用いる。本実施形態の量子回路の最適化には2n個の量子ビットが使用される。一方、開放量子系の定常状態における物理量の測定にはn個の量子ビットが使用される。このような量子ビットの数の変化は、密度行列のベクトル表現から行列表現への切り替えに対応している。 This embodiment uses a variational method to obtain the steady state of an open quantum system. 2n quantum bits are used to optimize the quantum circuit of this embodiment. On the other hand, n quantum bits are used to measure the physical quantity in the steady state of the open quantum system. This change in the number of quantum bits corresponds to a switch from a vector representation to a matrix representation of the density matrix.

以下、具体的に説明する。 The details are explained below.

[2.1 目的関数LLの基底状態としてのNESS] [2.1 NESS as the ground state of the objective function L L]

上記式(11)によって解かれるリンドブラディアンは、非エルミート行列である。仮に、散逸がない場合又は散逸がパリティ時間対称である場合(例えば、参考文献5を参照)、リンドブラディアンは歪エルミートとなる。このときには、ユニタリー行列を用いてリンドブラディアンを対角化することで、純虚数の固有値が得られる。そうでない場合、固有値は、純粋に実数でも虚数でもなく、固有モードは直交しない。換言すれば、ハミルトニアンの対角化に用いられる標準的な数値手法を適用することができない。 The Lindbrandian solved by equation (11) above is a non-Hermitian matrix. If there is no dissipation or if the dissipation is parity-time symmetric (see, for example, Reference 5), then the Lindbrandian becomes skew-Hermitian. In this case, diagonalizing the Lindbrandian with a unitary matrix results in purely imaginary eigenvalues. Otherwise, the eigenvalues are neither purely real nor purely imaginary, and the eigenmodes are not orthogonal. In other words, standard numerical methods used to diagonalize Hamiltonians cannot be applied.

参考文献5:Carl M Bender., "Making sense of non-hermitian hamiltonians.", Reports on Progress in Physics,70(6):947, 2007. Reference 5: Carl M Bender., "Making sense of non-hermitian hamiltonians.", Reports on Progress in Physics,70(6):947, 2007.

そこで、目的関数としてSchattenノルム||dρ^(t)/dt||traceを用いることも考えられる(例えば、参考文献6を参照。)。しかし、Schattenノルム||dρ^(t)/dt||traceの評価は簡単ではない。 In this regard, it is possible to use the Schatten norm ∥dρ^(t)/dt∥ trace as the objective function (see, for example, Reference 6). However, it is not easy to evaluate the Schatten norm ∥dρ^(t)/dt∥ trace .

参考文献6:Hendrik Weimer., "Variational principle for steady states of dissipative quantum many-body systems.", Phys. Rev. Lett., 114:040402, Jan 2015. Reference 6: Hendrik Weimer., "Variational principle for steady states of dissipative quantum many-body systems.", Phys. Rev. Lett., 114:040402, Jan 2015.

一方、次式に示されるような、リンドブラディアンのエルミート共役L^とリンドブラディアンL^との積は、非負の固有値を持つようなエルミート行列である。 On the other hand, the product of the Hermitian conjugate L^ of the Lindbrandian and the Lindbrandian L^, as shown in the following equation, is a Hermitian matrix having non-negative eigenvalues.


このため、固有値λ=0となる最低固有状態は、NESSに対応する。つまり、上記式(11)を満たすNESS |ρSS>は、以下の式(14)を満たす。 Therefore, the lowest eigenstate with the eigenvalue λ = 0 corresponds to NESS. That is, NESS |ρ SS > that satisfies the above formula (11) satisfies the following formula (14).



(14)


(14)

このため、本実施形態では、Lanczosの方法又は変分アプローチのような孤立量子系における基底状態の探索方法(例えば、参考文献7を参照。)が、開放量子系のNESSの探索に適用できる。 For this reason, in this embodiment, methods for searching ground states in isolated quantum systems, such as the Lanczos method or variational approaches (see, for example, Reference 7), can be applied to searching the NESS of open quantum systems.

参考文献7:Jian Cui, J. Ignacio Cirac, and Mari Carmen Ba~nuls., "Variational Matrix Product Operators for the Steady State of Dissipative Quantum Systems.", Physical Review Letters, 114(22):1-5,jan 2015. Reference 7: Jian Cui, J. Ignacio Cirac, and Mari Carmen Ba~nuls., "Variational Matrix Product Operators for the Steady State of Dissipative Quantum Systems.", Physical Review Letters, 114(22):1-5,jan 2015.

VQE等の変分アプローチの利点は、近似がどの程度良いのかを示すことができる点である。具体的には、目的関数L^L^の下限が0であるという性質を用いることで、厳密解を計算することなく、最適化の精度を定量化できる。 The advantage of variational approaches such as VQE is that they can show how good the approximation is. Specifically, by using the property that the lower bound of the objective function L^ L^ is zero, we can quantify the accuracy of the optimization without computing the exact solution.

このため、本実施形態では、パラメータ化された量子回路を用いて上記式(14)を解く。本実施形態の計算法であるdVQEは、パラメータ化された量子回路を用いて、目的関数を最適化する。なお、VQEは、noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devicesのために開発された技術(例えば、参考文献8を参照)である。VQEは、量子コンピュータ120による量子状態の計算と、古典コンピュータ110による最適化された量子回路のパラメータによって、全体の計算が実行される(例えば、参考文献9を参照)。 For this reason, in this embodiment, the above equation (14) is solved using a parameterized quantum circuit. dVQE, which is the calculation method of this embodiment, optimizes the objective function using a parameterized quantum circuit. Note that VQE is a technology developed for noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices (see, for example, Reference 8). In VQE, the entire calculation is performed by the calculation of the quantum state by the quantum computer 120 and the parameters of the quantum circuit optimized by the classical computer 110 (see, for example, Reference 9).

参考文献8:John Preskill., "Quantum Computing in the NISQ era and beyond.", (July):1-20, 2018.
参考文献9:Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J.Love, Al an Aspuru-Guzik, and Jeremy L. O'Brien., "A variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor." Nature Communications, 5:4213, 2014.
Reference 8: John Preskill., "Quantum Computing in the NISQ era and beyond.", (July):1-20, 2018.
Reference 9: Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J.Love, Al an Aspuru-Guzik, and Jeremy L. O'Brien. "A variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor." Nature Communications, 5:4213, 2014.

本実施形態のハイブリッドシステム100において、量子コンピュータ120が実行する処理と、古典コンピュータ110が実行する処理とを以下に示す。 In the hybrid system 100 of this embodiment, the processes performed by the quantum computer 120 and the classical computer 110 are shown below.

(0)古典コンピュータ110が、量子回路のパラメータの初期値を設定する。 (0) The classical computer 110 sets the initial values of the quantum circuit parameters.

なお、後述するように、本実施形態の量子回路は次式によって表される。 As described later, the quantum circuit of this embodiment is expressed by the following equation:


(1)量子コンピュータ120が、上記式に示される量子回路からのサンプリングを行い、目的関数の期待値<L^L^>が計算される。
(2)古典コンピュータ110が、サンプリングされた目的関数の期待値に基づいて、例えば、Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno法(以下、単に「BFGS法」と称する。)等の最適化手法を用いて、パラメータθ,φを更新する。
(3)例えば、目的関数の期待値<L^L^>がゼロに収束するまで、上記の(1)の処理と上記(2)の処理とが繰り返される。
(1) The quantum computer 120 samples from the quantum circuit shown in the above equation, and the expected value <L^ L^> of the objective function is calculated.
(2) The classical computer 110 updates the parameters θ and φ based on the expected value of the sampled objective function using an optimization method such as the Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno algorithm (hereinafter simply referred to as the “BFGS algorithm”).
(3) For example, the above process (1) and process (2) are repeated until the expected value of the objective function <L^ L^> converges to zero.

目的関数の項の数は、物理空間と補助空間との間の全ての結合のために、急速に増加する。しかし、この点については、量子ビットから十分効率的にサンプリングをすることができる(例えば、参考文献10を参照)。 The number of terms in the objective function grows rapidly due to all the coupling between the physical space and the auxiliary space. However, we can sample from the qubits efficiently enough to get to this point (see, e.g., Ref. 10).

参考文献10:G. Ortiz, J. E. Gubernatis, E. Knill, and R. Laflamme., "Quantum algorithms for fermionic simulations.", Phys. Rev. A, 64:022319, Jul 2001. Reference 10: G. Ortiz, J. E. Gubernatis, E. Knill, and R. Laflamme. "Quantum algorithms for fermionic simulations.", Phys. Rev. A, 64:022319, Jul 2001.

[2.2 dVQEのための量子回路の仮設] [2.2 Quantum circuit assumptions for dVQE]

次に、量子回路を用いてNESSを計算するための変分アプローチについて説明する。上述したように、本実施形態では、密度行列をベクトル表現とすることにより、孤立量子系におけるVQEと平行に議論を進めることができる(例えば、参考文献9,11,12を参照)。 Next, we will explain the variational approach to calculating NESS using quantum circuits. As mentioned above, in this embodiment, by expressing the density matrix as a vector, we can proceed with the discussion in parallel with VQE in isolated quantum systems (see, for example, References 9, 11, and 12).

参考文献11:Bela Bauer, DaveWecker, Andrew J. Millis, Matthew B. Hastings, and Matthias Troyer., "Hybrid quantum-classical approach to correlated materials.", Phys. Rev. X, 6:031045, Sep 2016.
参考文献12:Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takita, Markus Brink, Jerry M.Chow, and Jay M. Gambetta., "Hardware-efficient variational quantum eigensolver for small molecules and quantum magnets.", Nature, 549:242 EP -, 09 2017.
Reference 11: Bela Bauer, DaveWecker, Andrew J. Millis, Matthew B. Hastings, and Matthias Troyer. "Hybrid quantum-classical approach to correlated materials.", Phys. Rev. X, 6:031045, Sep 2016.
Reference 12: Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takita, Markus Brink, Jerry M.Chow, and Jay M. Gambetta. "Hardware-efficient variational quantum eigensolver for small molecules and quantum magnets." Nature, 549:242 EP -, 09 2017.

一方、開放量子系の密度行列ρ^は、次式に示される条件を満たす必要がある。 On the other hand, the density matrix ρ^ of an open quantum system must satisfy the following condition:


そこで、本実施形態では、上記の条件(I),(II),及び(III)を満たすような量子回路を設計し、当該量子回路を用いて、開放量子系の定常状態と当該定常状態における物理量を計算する。 Therefore, in this embodiment, a quantum circuit is designed to satisfy the above conditions (I), (II), and (III), and the quantum circuit is used to calculate the steady state of an open quantum system and the physical quantities in the steady state.

本実施形態では、開放量子系の定常状態を求めるための第1の量子回路と、定常状態における前記測定対象の物理量を測定するための第2の量子回路とを用いる。具体的には、本実施形態のハイブリッドシステム100は、第1の量子回路を用いて開放量子系の定常状態を求めた後に、第2の量子回路を用いて定常状態における測定対象の物理量を測定する。 In this embodiment, a first quantum circuit is used to determine the steady state of an open quantum system, and a second quantum circuit is used to measure the physical quantity of the measurement target in the steady state. Specifically, the hybrid system 100 of this embodiment determines the steady state of the open quantum system using the first quantum circuit, and then measures the physical quantity of the measurement target in the steady state using the second quantum circuit.

なお、条件(I)は、ベクトル表現に適切な正規化を課すことにより満たされる。しかし、第1の量子回路のパラメータを最適化する際には、条件(I)が満たされている必要はない。このため、第1の量子回路の構造を決定する際には、上記の条件(II)及び(III)を満たされるように、その構造が決定される。 Note that condition (I) is satisfied by applying appropriate normalization to the vector representation. However, when optimizing the parameters of the first quantum circuit, condition (I) does not need to be satisfied. Therefore, when determining the structure of the first quantum circuit, the structure is determined so that the above conditions (II) and (III) are satisfied.

具体的には、第2の量子回路による測定の際に条件(I)の正規化を考慮すれば良い。なお、第1の量子回路はベクトル表現となっているため、第1の量子回路のパラメータを最適化する際には、以下の条件が満たされるように、第1の量子回路の構造が決定される。 Specifically, the normalization of condition (I) can be taken into consideration when measuring with the second quantum circuit. Since the first quantum circuit is expressed as a vector, when optimizing the parameters of the first quantum circuit, the structure of the first quantum circuit is determined so that the following condition is satisfied.


上記(I)~(III)の条件は、固有値のパラメータ化と基底変換とが分離されていることを表している。図4に本実施形態の量子回路の一例を示す。図4の量子回路は、NESSのための量子回路であり、第1の量子回路である。D(θ)は固有値の分布を生成し、U(φ)は基底を変換する。なお、量子ビットの上半分は物理的空間を表し、量子ビットの下半分は補助的空間を表す。 The above conditions (I) to (III) indicate that the parameterization of eigenvalues and the basis transformation are separated. FIG. 4 shows an example of a quantum circuit of this embodiment. The quantum circuit of FIG. 4 is a quantum circuit for NESS and is the first quantum circuit. D (θ) generates a distribution of eigenvalues, and U(φ) transforms the basis. Note that the upper half of the qubit represents the physical space, and the lower half of the qubit represents the auxiliary space.

任意の密度行列はエルミート行列であり、ユニタリー行列によって対角化することが可能である。したがって、本実施形態では、以下の式(15)~(16)によって表される量子回路を構築する。 Any density matrix is a Hermitian matrix and can be diagonalized by a unitary matrix. Therefore, in this embodiment, we construct a quantum circuit represented by the following equations (15) to (16).



(15)


(16)


(15)


(16)

ここで、D^(θ)は固有値の分布を与える。また、U^(θ)は、基底変換に対応する。D^(θ)及びU^(θ)の詳細は後述する。 Here, D^(θ) gives the distribution of eigenvalues. Also, U^(θ) corresponds to the basis transformation. Details of D^(θ) and U^(θ) will be given later.

全ての量子ビットが0に初期化された場合を想定すると、初期状態ρ^は次式によって表される。 Assuming that all quantum bits are initialized to 0, the initial state ρ 0 ̂ is expressed by the following equation.


なお、初期状態は次式によっても表すことが可能である。 The initial state can also be expressed by the following equation:


次式に示す写像によって得られる、固有値分布に対応する量子回路をDとして表す。ここで固有値分布D(θ)は上記式(16)に対応するものであり、詳細は後述する。 The quantum circuit corresponding to the eigenvalue distribution obtained by the mapping shown in the following equation is represented as D , where the eigenvalue distribution D(θ) corresponds to the above equation (16), and will be described in detail later.


この場合、本実施形態の第1の量子回路は、以下の式(17)によって与えられる。 In this case, the first quantum circuit of this embodiment is given by the following equation (17).



(17)


(17)

基底変換のためのユニタリー演算子であるU^(φ)は、問題設定に大きく依存するが、解の精度に大きな影響を及ぼす。後述するように、簡単のため、本実施形態では、量子コンピュータのハードウェアにとって効率的な量子回路(Hardware-efficient ansatz)(例えば、参考文献12,13,14を参照)を適用させる。 The unitary operator U^(φ) for basis transformation depends heavily on the problem setting, but has a large effect on the accuracy of the solution. As will be described later, for simplicity, in this embodiment, a hardware-efficient ansatz (see, for example, References 12, 13, and 14) that is efficient for the quantum computer hardware is applied.

参考文献13:E Farhi, J Goldstone, and S Gutmann., "A quantum approximate optimization algorithm.",arXiv:1411.4028, 2014.
参考文献14:K.M. Nakanishi, K Mitarai, and K Fujii., "Subspace-search variational quantum eigensolver forexcited states.", arXiv:1810.09434, 2018.
Reference 13: E Farhi, J Goldstone, and S Gutmann. "A quantum approximate optimization algorithm.",arXiv:1411.4028, 2014.
Reference 14: KM Nakanishi, K Mitarai, and K Fujii. "Subspace-search variational quantum eigensolver for excited states.", arXiv:1810.09434, 2018.

[2.2.1 固有値分布のための量子回路D(θ)] [2.2.1 Quantum circuit D for eigenvalue distribution (θ)]

密度行列の固有値分布を生成するユニタリゲートD(θ)について、以下説明する。n個の物理的な量子ビットの系のための対角行列は、以下の式(18)~(19)に示されるように、ベクトル表現へ写像される。 A unitary gate D (θ) that generates the eigenvalue distribution of the density matrix is described below. The diagonal matrix for a system of n physical qubits is mapped to a vector representation as shown in equations (18)-(19) below.



(18)


(19)


(18)


(19)

ここで、上記式(19)に示されるCNOTゲートは、k番目の量子ビットとk+n番目の量子ビットとの間の量子もつれを生成する。例えば、量子ビットによって表される状態{|00>,|01>,|10>,|11>}のうちの、最初の量子ビットはコントロール量子ビットを表し、2番目の量子ビットは制御対象の量子ビットを表す場合、CNOTゲートは、以下の式(20)によって表される。 The CNOT gate shown in the above formula (19) generates quantum entanglement between the kth quantum bit and the k+nth quantum bit. For example, if the first quantum bit of the states {|00>, |01>, |10>, |11>} represented by the quantum bits represents the control quantum bit and the second quantum bit represents the quantum bit to be controlled, the CNOT gate is represented by the following formula (20).



(20)


(20)

ここで、固有値の分布のための上記式(19)は、左空間におけるユニタリゲートから決定されることがわかる。図5に、D(θ)の一例を示す。量子回路の構成要素である回転Yゲートは、以下の式(21)によって定義される。 Here, it can be seen that the above equation (19) for the distribution of eigenvalues is determined from unitary gates in the left space. An example of D (θ) is shown in Figure 5. The rotating Y gate, which is a component of a quantum circuit, is defined by the following equation (21).



(21)


(21)

なお、半正定値の性質は、次式の角度の制限によって保証される。 The positive semidefinite property is guaranteed by the following angle restriction:


図5に示される固有値分布の量子回路D(θ)は、それぞれの量子ビットを独立に取り扱っている一方で、図6に示される量子回路D(θ)は、量子もつれを導入している。上記図5及び上記図6で示されているように、上半分の量子ビットは物理空間を表し、下半分の量子ビットは補助空間を表す。なお、これらの図にはn=3の場合が示されている。 The quantum circuit D (θ) of the eigenvalue distribution shown in Fig. 5 treats each quantum bit independently, while the quantum circuit D (θ) shown in Fig. 6 introduces quantum entanglement. As shown in Fig. 5 and Fig. 6, the quantum bits in the upper half represent the physical space, and the quantum bits in the lower half represent the auxiliary space. Note that these figures show the case of n=3.

[基底変換のための量子回路U(φ)] [Quantum circuit U(φ) for basis transformation]

本実施形態では、量子コンピュータのハードウェアにとって効率的な量子回路を基底変換に用いる(例えば、参考文献12,13,14を参照)。図7にU(φ)の一例を示す。図7に示されるU(φ)におけるRX,RYは、D回繰り返される。RXは回転Xゲートを表し、RYは回転Yゲートを表す。なお、図7に示されるU(φ)では、物理空間の量子ビットが描かれている。 In this embodiment, a quantum circuit that is efficient for quantum computer hardware is used for the basis conversion (see, for example, References 12, 13, and 14). An example of U(φ) is shown in FIG. 7. RX and RY in U(φ) shown in FIG. 7 are repeated D 2 times. RX represents a rotating X gate, and RY represents a rotating Y gate. Note that in U(φ) shown in FIG. 7, quantum bits in physical space are depicted.

[2.3 測定対象の物理量の測定] [2.3 Measurement of physical quantities of objects]

古典コンピュータ110による最適化が終了すると、測定用量子ビットの初期値を確率的に設定した上で測定を行うことにより、測定対象の物理量の期待値が計算される。ここでは、開放量子系に適した計算法である本実施形態のdVQEの詳細を説明する。 When optimization by the classical computer 110 is completed, the initial value of the measurement quantum bit is set probabilistically and then a measurement is performed to calculate the expected value of the physical quantity to be measured. Here, we will explain the details of dVQE of this embodiment, which is a calculation method suitable for open quantum systems.

[2.3.1 量子回路におけるNESSのための一般的な測定スキーム] [2.3.1 General measurement scheme for NESS in quantum circuits]

ベクトル表現された目的関数の期待値<LL>は効率的に測定される一方で、物理量の測定はベクトル表現のままでは実行できない。このため、本実施形態のハイブリッドシステム100は、入力されたn量子ビットを確率的に初期化する。具体的には、本実施形態のハイブリッドシステム100は、密度行列の固有値{λ}の集合に基づいて、n量子ビットの状態を確率的に初期化する。 While the expected value <L L> of the vector-represented objective function can be measured efficiently, the measurement of physical quantities cannot be performed with the vector representation. For this reason, the hybrid system 100 of the present embodiment stochastically initializes the input n quantum bits. Specifically, the hybrid system 100 of the present embodiment stochastically initializes the state of the n quantum bits based on a set of eigenvalues {λ i } of the density matrix.

密度行列ρ^の下における測定対象の物理量A^の測定は、行列表現とベクトル表現とによって、以下の式(22)~(23)のように表される。 The measurement of the physical quantity A^ of the measurement target under the density matrix ρ^ is expressed in matrix and vector form as shown in the following equations (22) and (23).



(22)


(23)


(22)


(23)

ここで、次式に示す正規化されていないベクトルは、完全な混合状態を表す密度行列のベクトル表現に対応する。 Here, the unnormalized vector shown in the following equation corresponds to the vector representation of the density matrix representing the fully mixed state.


なお、上記の式に示す状態|Ψ(1)>は、2個の非ゼロの要素から構成されている。このため、上記の式は、ベクトル表現における測定において、22n個の要素のうち2個の要素を抜き出す形となり、測定は系のサイズに対して指数関数に非効率になる。 Note that the state |Ψ(1)> in the above equation is composed of 2 n non-zero elements, so the above equation is a measurement in vector representation in which 2 n elements are extracted from the 2 2 n elements, making the measurement exponentially inefficient with respect to the size of the system.

この問題を避けるため、本実施形態では、量子回路の表現について、ベクトル表現から行列表現に戻した上で物理量の測定を行う。更に、本実施形態では、量子回路におけるD(θ)とU(φ)とのパラメータθ,φの最適化が終了した後には、n個の量子ビットを用いる。qを1又は0をとるk番目の量子ビットとして、nビットの配列をq=(q,・・・,q)と表す。 To avoid this problem, in this embodiment, the expression of the quantum circuit is converted from a vector expression to a matrix expression before measuring the physical quantity. Furthermore, in this embodiment, after the optimization of parameters θ and φ of D (θ) and U(φ) in the quantum circuit is completed, n quantum bits are used. Let q k be the kth quantum bit that takes 1 or 0, and the n-bit array be expressed as q = (q 1 , ..., q n ).

最適化された量子回路により与えられる密度行列ρ^は、次式によって表される。 The density matrix ρ^ given by the optimized quantum circuit is expressed by the following formula:


また、測定対象の物理量Aの期待値<A>は、以下の式によって新たに定義される。 The expected value <A> of the physical quantity A to be measured is newly defined by the following formula:



(24)


(25)


(24)


(25)

次式に示される正規化は、λを、初期状態をqに設定するための確率としてみなすことが許される。 The normalization shown in the following equation allows us to consider λ q as the probability for setting the initial state to q.


従って、本実施形態のアルゴリズムは、以下のように要約化される。 Therefore, the algorithm in this embodiment can be summarized as follows:

(0)第1の量子回路に関する最適化により、パラメータθ,φの最適な値を求める。なお、パラメータθ,φの最適化の際には、VQEによって、2n個の量子ビットが使用される。
(1)左空間に対応するn量子ビットの初期状態|q>を、確率λに従って設定する。
(2)基底変換された|ψ>に従って測定対象の物理量A^を測定する。
(3)上記(1)と上記(2)とを、所望の確度が達成されるまで繰り返す。
(0) Find optimal values of parameters θ and φ by optimizing the first quantum circuit. Note that when optimizing parameters θ and φ, 2n quantum bits are used by the VQE.
(1) Set the initial state |q> of the n qubits corresponding to the left space according to the probability λ q .
(2) The physical quantity A^ of the measurement object is measured according to the basis-transformed |ψ q >.
(3) Repeat steps (1) and (2) above until a desired accuracy is achieved.

固有値分布Dに対応する量子回路として、図5に示されるような回路が採用された場合には、確率は、以下の式(26)を用いることができる。 When a circuit as shown in FIG. 5 is adopted as a quantum circuit corresponding to the eigenvalue distribution D 1 , the following equation (26) can be used for the probability.



(26)


(26)

[本実施形態のハイブリッドシステム100の動作] [Operation of the hybrid system 100 of this embodiment]

次に、本実施形態のハイブリッドシステム100の具体的な動作について説明する。ハイブリッドシステム100の各装置において、図8に示される各処理が実行される。 Next, the specific operation of the hybrid system 100 of this embodiment will be described. Each device of the hybrid system 100 executes the processes shown in FIG. 8.

まず、ステップS100において、ユーザ端末130は、ユーザから入力された計算対象に関する情報(以下、単に「計算対象情報」と称する。)を、古典コンピュータ110へ送信する。計算対象情報は、量子計算によって解かれる問題に関する情報であり、例えば、計算対象の系のハミルトニアンHを計算するための情報と、計算対象の系の散逸演算子Γを計算するための情報と、測定対象の物理量に関する情報とが含まれている。 First, in step S100, the user terminal 130 transmits information about the calculation target input by the user (hereinafter simply referred to as "calculation target information") to the classical computer 110. The calculation target information is information about the problem to be solved by quantum computing, and includes, for example, information for calculating the Hamiltonian H of the calculation target system, information for calculating the dissipation operator Γ of the calculation target system, and information about the physical quantity of the measurement target.

測定対象の物理量は上記式(24)等で示されている「A」であり、測定対象の物理量の一例としては、対象物の磁化又は電流等が挙げられる。ハミルトニアンHを計算するための情報と、散逸演算子Γを計算するための情報とは、計算対象物に応じて異なるものとなる。ハミルトニアンHを計算するための情報の一例としては、相互作用する量子ビットのインデックスや、相互作用の関数系などが挙げられる。また、散逸演算子Γを計算するための情報の一例としては、位相緩和項やエネルギー緩和項に関する緩和時間の特定などが挙げられる。 The physical quantity of the object to be measured is "A" shown in the above formula (24) etc., and examples of the physical quantity of the object to be measured include the magnetization or current of the object. The information for calculating the Hamiltonian H and the information for calculating the dissipation operator Γ differ depending on the object to be calculated. Examples of information for calculating the Hamiltonian H include the index of interacting quantum bits and a function system of interactions. Also, examples of information for calculating the dissipation operator Γ include specifying the relaxation time for the phase relaxation term and the energy relaxation term.

次に、ステップS102において、古典コンピュータ110は、ユーザ端末130から送信された計算対象情報を受信する。そして、ステップS102において、古典コンピュータ110は、受信した計算対象情報のうちのハミルトニアンHを計算するための情報に基づいて、既知の計算式に従って、系のエネルギー状態を表すハミルトニアンHを計算する。これにより、系の内部における相互作用が決定される。 Next, in step S102, the classical computer 110 receives the calculation target information transmitted from the user terminal 130. Then, in step S102, the classical computer 110 calculates the Hamiltonian H, which represents the energy state of the system, according to a known formula, based on the information for calculating the Hamiltonian H from the received calculation target information. This determines the interactions within the system.

また、ステップS102において、古典コンピュータ110は、受信した計算対象情報のうちの系の散逸演算子Γを計算するための情報に基づいて、既知の計算式に従って、系の散逸演算子Γを計算する。これにより、系の外部環境との相互作用が決定される。 In addition, in step S102, the classical computer 110 calculates the dissipation operator Γ of the system according to a known formula based on the information for calculating the dissipation operator Γ of the system from the received calculation target information. This determines the interaction of the system with the external environment.

なお、ハミルトニアンH及び散逸演算子Γは、計算対象に応じて異なるものとなる。 The Hamiltonian H and the dissipation operator Γ will differ depending on the calculation target.

ステップS104において、古典コンピュータ110は、上記ステップS102で計算されたハミルトニアンHと散逸演算子Γに基づいて、上記式(8)~式(10)に従って、リンドブラディアンLを計算する。 In step S104, the classical computer 110 calculates the Lindbrandian L according to the above equations (8) to (10) based on the Hamiltonian H calculated in step S102 and the dissipation operator Γ.

ステップS106において、古典コンピュータ110は、上記ステップS104で計算されたリンドブラディアンLに応じた目的関数LLを計算する。 In step S106, the classical computer 110 calculates an objective function L L according to the Lindbradian L calculated in step S104 above.

ステップS108において、古典コンピュータ110は、図4に示されるような、開放量子系の定常状態を求めるための第1の量子回路の構造を決定する。第1の量子回路の構造は、図4に示されるように、計算対象の量子ビット数がn量子ビットである場合に、2n量子ビットによって表される量子回路である。また、第1の量子回路は、固有値の分布を生成するための行列を表すD(θ)と、基底変換を行うための行列を表すU(φ)とを含む量子回路である。このため、第1の量子回路には、固有値の分布を生成するための行列を表すパラメータθと、基底変換を行うための行列のパラメータφとが含まれている。 In step S108, the classical computer 110 determines the structure of a first quantum circuit for obtaining a stationary state of an open quantum system as shown in Fig. 4. The structure of the first quantum circuit is a quantum circuit represented by 2n quantum bits when the number of quantum bits to be calculated is n quantum bits as shown in Fig. 4. The first quantum circuit is also a quantum circuit including D ~ (θ) representing a matrix for generating an eigenvalue distribution and U(φ) representing a matrix for performing a basis transformation. For this reason, the first quantum circuit includes a parameter θ representing a matrix for generating an eigenvalue distribution and a parameter φ of a matrix for performing a basis transformation.

なお、古典コンピュータ110は、上述したように、以下の条件(II)及び(III)を満たすように、第1の量子回路の構造を決定する。 As described above, the classical computer 110 determines the structure of the first quantum circuit so as to satisfy the following conditions (II) and (III).













ただし、ρ^は開放量子系における混合状態の密度行列を表し、ρ^はρ^のエルミート共役を表し、|ψ>は量子状態を表す。また、任意の|ψ>について上記(II)が成立する。 where ρ^ denotes the density matrix of the mixed state in an open quantum system, ρ^ denotes the Hermitian conjugate of ρ^, and |ψ> denotes a quantum state. Moreover, the above (II) holds for any |ψ>.

ステップS110において、古典コンピュータ110は、上記ステップS108で決定された第1の量子回路の構造及び第1の量子回路のパラメータθ,φの初期値を出力する。具体的には、古典コンピュータ110は、上記ステップS108で決定された第1の量子回路の構造、第1の量子回路のパラメータθ,φの初期値、及び最適化手法を、量子コンピュータ120へ送信する。最適化手法としては、例えば、BFGS法等が挙げられる。 In step S110, the classical computer 110 outputs the structure of the first quantum circuit determined in step S108 and the initial values of the parameters θ and φ of the first quantum circuit. Specifically, the classical computer 110 transmits the structure of the first quantum circuit determined in step S108, the initial values of the parameters θ and φ of the first quantum circuit, and the optimization method to the quantum computer 120. An example of the optimization method is the BFGS method.

ステップS106において、古典コンピュータ110から量子コンピュータ120へ送信されるデータは、量子コンピュータ120の量子計算に用いられる量子回路の構成に関するデータ構造であって、開放量子系の定常状態を求めるための情報であって、固有値の分布を生成するための行列を表す情報と基底変換を行うための行列を表す情報とを含む。 In step S106, the data transmitted from the classical computer 110 to the quantum computer 120 is a data structure related to the configuration of a quantum circuit used in the quantum computation of the quantum computer 120, and is information for determining the stationary state of an open quantum system, including information representing a matrix for generating a distribution of eigenvalues and information representing a matrix for performing a basis transformation.

このデータ構造は、量子コンピュータ120の量子計算に用いられるデータ構造であって、第1の量子回路と第1の量子回路のパラメータθ,φの初期値とに基づくVQEを用いた量子コンピュータ120による量子計算によって、第1の量子回路のパラメータθ,φを生成する処理に用いられる。 This data structure is a data structure used for quantum computation by the quantum computer 120, and is used in the process of generating parameters θ ' , φ ' of the first quantum circuit by quantum computation by the quantum computer 120 using VQE based on the first quantum circuit and the initial values of parameters θ and φ of the first quantum circuit.

ステップS112において、制御装置121は、上記ステップS108で古典コンピュータ110から送信された、第1の量子回路の構造、第1の量子回路のパラメータθ,φの初期値、及び最適化手法を受信する。そして、制御装置121は、第1の量子回路の構造、第1の量子回路のパラメータθ,φの初期値、及び最適化手法に応じて、VQEを用いた量子計算を量子コンピュータ120に実行させる。 In step S112, the control device 121 receives the structure of the first quantum circuit, the initial values of the parameters θ and φ of the first quantum circuit, and the optimization method transmitted from the classical computer 110 in step S108. Then, the control device 121 causes the quantum computer 120 to execute quantum computation using VQE according to the structure of the first quantum circuit, the initial values of the parameters θ and φ of the first quantum circuit, and the optimization method.

具体的には、量子コンピュータ120は、制御装置121の制御に応じて、量子ビット群123のうちの少なくとも何れかの量子ビットへ照射するための電磁波を生成する。そして、量子コンピュータ120は、生成された電磁波を、量子ビット群123のうちの少なくとも何れかの量子ビットへ照射し、初期情報に応じた量子回路を実行することにより、最適な量子回路である第1の量子回路のパラメータθ,φを生成する。量子回路に含まれる各量子ゲートのゲート操作は対応する電磁波波形へと変換され、生成された電磁波が電磁波生成装置122によって量子ビット群123に照射される。そして、量子コンピュータ120は、第1の量子回路のパラメータθ,φを出力する。 Specifically, the quantum computer 120 generates electromagnetic waves to be irradiated to at least any one of the quantum bits in the quantum bit group 123 in accordance with the control of the control device 121. Then, the quantum computer 120 irradiates the generated electromagnetic waves to at least any one of the quantum bits in the quantum bit group 123, and executes a quantum circuit according to the initial information, thereby generating parameters θ ' , φ ' of a first quantum circuit that is an optimal quantum circuit. The gate operation of each quantum gate included in the quantum circuit is converted into a corresponding electromagnetic wave waveform, and the generated electromagnetic waves are irradiated to the quantum bit group 123 by the electromagnetic wave generating device 122. Then, the quantum computer 120 outputs the parameters θ ' , φ ' of the first quantum circuit.

ステップS114において、制御装置121は、上記ステップS108で得られた第1の量子回路のパラメータθ,φを、古典コンピュータ110へ送信する。 In step S114, the control device 121 transmits the parameters θ , φ of the first quantum circuit obtained in step S108 above to the classical computer 110.

ステップS116において、古典コンピュータ110は、上記ステップS110で制御装置121から送信された第1の量子回路のパラメータθ,φを受信する。そして、古典コンピュータ110は、第1の量子回路のパラメータθ,φに応じて、量子測定に関する情報を決定する。 In step S116, the classical computer 110 receives the parameters θ ' , φ ' of the first quantum circuit transmitted from the control device 121 in step S110. Then, the classical computer 110 determines information about the quantum measurement according to the parameters θ ' , φ ' of the first quantum circuit.

具体的には、古典コンピュータ110は、測定対象の物理量を表す情報と、測定用の量子回路である第2の量子回路と、測定用の量子ビットの初期値とを量子測定に関する情報として決定する。 Specifically, the classical computer 110 determines information about the quantum measurement, including information representing the physical quantity to be measured, a second quantum circuit that is a quantum circuit for measurement, and an initial value of the quantum bit for measurement.

まず、古典コンピュータ110は、定常状態における測定対象の物理量を求めるための第2の量子回路を設定する。第2の量子回路は、物理量を測定するための測定用の量子回路であり、上記の条件(I),条件(II),及び条件(III)を満たす。具体的には、古典コンピュータ110は、第1の量子回路のうちのユニタリー回路U(φ)を、第2の量子回路として設定する。開放量子系においては、通常の問題設定と異なり、最適化によって得られた第1の量子回路を測定に用いることはできない。そこで、本実施形態では、第1の量子回路のうちのユニタリー回路U(φ)を、測定用の量子回路である第2の量子回路として設定する。 First, the classical computer 110 sets a second quantum circuit for determining the physical quantity of the measurement target in a steady state. The second quantum circuit is a quantum circuit for measuring the physical quantity, and satisfies the above conditions (I), (II), and (III). Specifically, the classical computer 110 sets the unitary circuit U(φ ' ) of the first quantum circuit as the second quantum circuit. In an open quantum system, unlike a normal problem setting, the first quantum circuit obtained by optimization cannot be used for measurement. Therefore, in this embodiment, the unitary circuit U(φ ' ) of the first quantum circuit is set as the second quantum circuit, which is a quantum circuit for measurement.

なお、ユニタリー回路U(φ)のパラメータφは、上記ステップS114で受信されたパラメータφである。このため、第2の量子回路は、量子コンピュータ120によって生成されたパラメータφが反映された、第1の量子回路のうちのユニタリー回路U(φ)である。 The parameter φ of the unitary circuit U(φ ) is the parameter φ received in step S114. Therefore, the second quantum circuit is the unitary circuit U(φ ) of the first quantum circuit in which the parameter φ generated by the quantum computer 120 is reflected.

次に、古典コンピュータ110は、量子コンピュータ120から出力された第1の量子回路のパラメータθに応じて、測定用の量子ビットの初期値を設定する。 Next, the classical computer 110 sets the initial value of the measurement quantum bit according to the parameter θ of the first quantum circuit output from the quantum computer 120 .

具体的には、古典コンピュータ110は、測定用の量子ビットの初期値を設定する際に、上記ステップS114で受信したパラメータθに応じて、例えば、上記式(26)に従って、確率λ(θ)を計算する。そして、古典コンピュータ110は、計算した確率λ(θ)に応じて、測定用の量子ビットqの初期値を設定する。例えば、測定用の量子ビットqの確率λqA(θ)と、測定用の量子ビットqの確率λqB(θ)と、測定用の量子ビットqの確率λqC(θ)とが各々計算され、その確率に応じて、量子ビットq、量子ビットq、及び量子ビットqの何れかが初期値として設定される。 Specifically, when setting the initial value of the measurement quantum bit, the classical computer 110 calculates the probability λ q' ) according to the parameter θ ' received in step S114, for example, according to the above formula (26). Then, the classical computer 110 sets the initial value of the measurement quantum bit q according to the calculated probability λ q' ). For example, the probability λ qA' ) of the measurement quantum bit qA , the probability λ qB' ) of the measurement quantum bit qB , and the probability λ qC' ) of the measurement quantum bit qC are each calculated, and one of the quantum bits qA , qB , and qC is set as the initial value according to the probability.

なお、量子測定に関する情報のうちの測定対象の物理量を表す情報は、上記ステップS100において既に取得されている。 Note that the information about the quantum measurement that represents the physical quantity to be measured has already been acquired in step S100 above.

ステップS118において、古典コンピュータ110は、上記ステップS116で決定された量子測定に関する情報である、測定対象の物理量を表す情報と、測定用の量子回路である第2の量子回路と、測定用の量子ビットの初期値とを量子コンピュータ120へ送信する。 In step S118, the classical computer 110 transmits to the quantum computer 120 the information about the quantum measurement determined in step S116 above, which is information representing the physical quantity to be measured, the second quantum circuit which is the quantum circuit for measurement, and the initial value of the quantum bit for measurement.

ステップS120において、制御装置121は、上記ステップS118で古典コンピュータ110から送信された、測定対象の物理量を表す情報と、測定用の量子回路である第2の量子回路と、測定用の量子ビットの初期値とを受信する。そして、制御装置121は、測定対象の物理量を表す情報と、測定用の量子回路である第2の量子回路と、測定用の量子ビットの初期値とに応じた量子計算を量子コンピュータ120に実行させる。 In step S120, the control device 121 receives the information representing the physical quantity to be measured, the second quantum circuit which is the quantum circuit for measurement, and the initial value of the quantum bit for measurement, which were transmitted from the classical computer 110 in step S118 above. Then, the control device 121 causes the quantum computer 120 to execute a quantum calculation according to the information representing the physical quantity to be measured, the second quantum circuit which is the quantum circuit for measurement, and the initial value of the quantum bit for measurement.

具体的には、量子コンピュータ120は、制御装置121の制御に応じて、量子ビット群123のうちの少なくとも何れかの量子ビットへ照射するための電磁波を生成する。そして、量子コンピュータ120は、生成された電磁波を、量子ビット群123のうちの少なくとも何れかの量子ビットへ照射することにより、第2の量子回路を実行することにより観測される情報を測定する。これにより、上記ステップS102で受信した物理量Aの測定結果が得られる。そして、量子コンピュータ120は、量子計算により得られた物理量Aの測定結果を出力する。 Specifically, quantum computer 120 generates electromagnetic waves to be irradiated to at least any one of quantum bits in quantum bit group 123 in accordance with the control of control device 121. Then, quantum computer 120 measures information observed by executing the second quantum circuit by irradiating the generated electromagnetic waves to at least any one of quantum bits in quantum bit group 123. This results in a measurement result of physical quantity A received in step S102 above. Then, quantum computer 120 outputs the measurement result of physical quantity A obtained by quantum calculation.

ステップS122において、制御装置121は、上記ステップS120で得られた物理量Aの測定結果を、古典コンピュータ110へ送信する。 In step S122, the control device 121 transmits the measurement result of physical quantity A obtained in step S120 to the classical computer 110.

ステップS124において、古典コンピュータ110は、上記ステップS122で制御装置121から送信された物理量Aの測定結果を受信する。 In step S124, the classical computer 110 receives the measurement result of physical quantity A transmitted from the control device 121 in step S122.

上記ステップS116~ステップS122の各処理は、量子コンピュータ120による量子計算の計算結果が収束するまで繰り返される。例えば、量子計算の繰り返し毎に得られる物理量Aの変動が所定の閾値以下となるまで、古典コンピュータ110による測定用の量子ビットの初期値の設定と、量子コンピュータ120による測定用の量子ビットの初期値に応じた量子計算の実行とが繰り返される。この場合、各繰り返しにおいて、それまでに得られた物理量Aの平均値を算出し、その平均値の変動が所定の閾値以下となるまで、上記ステップS116~ステップS122の各処理が繰り返される。 The processes in steps S116 to S122 are repeated until the results of the quantum computation by the quantum computer 120 converge. For example, the setting of the initial value of the quantum bit for measurement by the classical computer 110 and the execution of the quantum computation according to the initial value of the quantum bit for measurement by the quantum computer 120 are repeated until the fluctuation of the physical quantity A obtained at each repetition of the quantum computation becomes equal to or less than a predetermined threshold. In this case, in each repetition, the average value of the physical quantity A obtained up to that point is calculated, and the processes in steps S116 to S122 are repeated until the fluctuation of the average value becomes equal to or less than a predetermined threshold.

ステップS124において、古典コンピュータ110は、上記ステップS116~ステップS122の各繰り返し処理で得られた物理量Aの各々を取得する。そして、古典コンピュータ110は、各回で得られた物理量Aを統計処理することにより、上記式(24)等で示される物理量Aの期待値<A>を計算する。 In step S124, the classical computer 110 acquires each of the physical quantities A obtained in each of the repeated processes in steps S116 to S122. The classical computer 110 then performs statistical processing on the physical quantities A obtained in each iteration to calculate the expected value <A> of the physical quantity A shown in the above formula (24) etc.

ステップS126において、古典コンピュータ110は、上記ステップS124で得られた物理量の期待値<A>の計算結果をユーザ端末130へ送信する。 In step S126, the classical computer 110 transmits the calculation result of the expected value <A> of the physical quantity obtained in step S124 to the user terminal 130.

ステップS128において、ユーザ端末130は、上記ステップS124で古典コンピュータ110から送信された物理量の期待値<A>の計算結果を受信する。 In step S128, the user terminal 130 receives the calculation result of the expected value <A> of the physical quantity sent from the classical computer 110 in step S124.

以上説明したように、本実施形態のハイブリッドシステムは、古典コンピュータが、ハミルトニアンと、散逸演算子とに基づいて、リンドブラディアンを計算する。そして、古典コンピュータが、リンドブラディアンに応じた目的関数を計算し、以下の式(1)に表す条件を満たすように、第1の量子回路の構造を決定する。そして、古典コンピュータが、目的関数と、第1の量子回路の構造と、第1の量子回路のパラメータの初期値とを出力する。そして、量子コンピュータが、古典コンピュータから出力された、目的関数と第1の量子回路の構造とパラメータの初期値とに応じて、VQEを用いた量子計算を実行し、第1の量子回路のパラメータを生成し、第1の量子回路のパラメータを出力する。そして、古典コンピュータが、量子コンピュータから出力された第1の量子回路のパラメータに応じて、測定用の量子ビットの初期値を設定する。そして、古典コンピュータが、測定対象の物理量を表す情報と、測定用の量子回路である第2の量子回路と、測定用の量子ビットの初期値とを出力する。そして、量子コンピュータが、古典コンピュータから出力された、測定対象の物理量を表す情報と、第2の量子回路と、測定用の量子ビットの初期値とに応じた量子計算を実行し、量子計算の測定結果を出力する。そして、古典コンピュータが、量子コンピュータから出力された測定結果に応じて、測定対象の物理量の計算結果を出力する。これにより、開放量子系における対象の物理量の定常状態を計算することができる。 As described above, in the hybrid system of this embodiment, the classical computer calculates the Lindebrandian based on the Hamiltonian and the dissipation operator. Then, the classical computer calculates an objective function according to the Lindebrandian and determines the structure of the first quantum circuit so as to satisfy the condition expressed in the following formula (1). Then, the classical computer outputs the objective function, the structure of the first quantum circuit, and the initial values of the parameters of the first quantum circuit. Then, the quantum computer executes quantum calculation using VQE according to the objective function, the structure of the first quantum circuit, and the initial values of the parameters output from the classical computer, generates parameters of the first quantum circuit, and outputs the parameters of the first quantum circuit. Then, the classical computer sets the initial values of the quantum bits for measurement according to the parameters of the first quantum circuit output from the quantum computer. Then, the classical computer outputs information representing the physical quantity to be measured, the second quantum circuit which is a quantum circuit for measurement, and the initial values of the quantum bits for measurement. The quantum computer then executes quantum computation according to the information representing the physical quantity of the measurement target output from the classical computer, the second quantum circuit, and the initial value of the measurement quantum bit, and outputs the measurement result of the quantum computation. The classical computer then outputs the computation result of the physical quantity of the measurement target according to the measurement result output from the quantum computer. This makes it possible to calculate the steady state of the physical quantity of the target in the open quantum system.

また、本実施形態のハイブリッドシステムは、古典コンピュータと量子コンピュータとの間の適切な役割分担により、開放量子系における対象の物理量の定常状態を効率的に得ることができる。 In addition, the hybrid system of this embodiment can efficiently obtain the steady state of a target physical quantity in an open quantum system by appropriately dividing up the roles between the classical computer and the quantum computer.

また、本実施形態のハイブリッドシステムは、開放量子系の定常状態を求めるための第1の量子回路と、定常状態における測定対象の物理量を測定するための第2の量子回路とを、異なる量子回路とすることにより、開放量子系の定常状態と定常状態における測定対象の物理量を得ることができる。 In addition, the hybrid system of this embodiment has a first quantum circuit for determining the steady state of the open quantum system and a second quantum circuit for measuring the physical quantity of the object to be measured in the steady state, which are different quantum circuits, making it possible to obtain the steady state of the open quantum system and the physical quantity of the object to be measured in the steady state.

また、本実施形態のハイブリッドシステムは、第1の量子回路のパラメータを最適化する際には当該量子回路の表現をベクトル表現とし、第2の量子回路によって物理量の測定を行う際には当該量子回路の表現を行列表現とする。これにより、開放量子系の定常状態と定常状態における測定対象の物理量を得ることができる。 In addition, in the hybrid system of this embodiment, when optimizing the parameters of the first quantum circuit, the quantum circuit is expressed as a vector representation, and when measuring a physical quantity using the second quantum circuit, the quantum circuit is expressed as a matrix representation. This makes it possible to obtain the steady state of the open quantum system and the physical quantity of the measurement target in the steady state.

次に、実施例を説明する。本実施例では、散逸のある1次元の横磁場イジングモデル(1dTFIM)を用いて数値シミュレーションを行った。 Next, we will explain an example. In this example, we performed a numerical simulation using a one-dimensional transverse magnetic field Ising model with dissipation (1dTFIM).

まず、dVQEを実行するためのモデルについて説明する。まず、上記式(10)を1次元の横磁場イジングモデルに適用すると、1次元の横磁場イジングモデルのNESSは以下の式(27)及び式(28)によって表される。 First, we will explain the model for performing dVQE. First, when the above formula (10) is applied to a one-dimensional transverse magnetic field Ising model, the NESS of the one-dimensional transverse magnetic field Ising model is expressed by the following formulas (27) and (28).



(27)


(28)


(27)


(28)

なお、dVQEによって目的関数LLが最適化されているときの様子は、BFGS法によって逐次確認することができる(例えば、参考文献15を参照)。BFGS法は、例えば、SciPyライブラリ(例えば、参考文献16を参照)によって実行される。 The state in which the objective function L L is optimized by dVQE can be checked sequentially by the BFGS method (see, for example, Reference 15). The BFGS method is implemented, for example, by the SciPy library (see, for example, Reference 16).

参考文献15:Jorge Nocedal and Stephen J. Wright. "Numerical Optimization.", Springer, New York, NY, USA, second edition, 2006.
参考文献16:Eric Jones, Travis Oliphant, Pearu Peterson, et al., "SciPy: Open source scientic tools for Python", 2001.
Reference 15: Jorge Nocedal and Stephen J. Wright. "Numerical Optimization.", Springer, New York, NY, USA, second edition, 2006.
Reference 16: Eric Jones, Travis Oliphant, Pearu Peterson, et al., "SciPy: Open source scientic tools for Python", 2001.

まず初めに、散逸のある1次元の横磁場イジングモデル(1dTFIM)のNESSを計算する。散逸のある1次元の横磁場イジングモデルのリンドブラディアンL^は、以下の式(29)によって与えられる。 First, we calculate the NESS of the one-dimensional dissipative transverse-field Ising model (1dTFIM). The Lindbrandian L^ of the one-dimensional dissipative transverse-field Ising model is given by the following equation (29).



(29)


(29)

なお、散逸のある1次元の横磁場イジングモデルのNESSは、最近接相互作用によって引き起こされる相関のため、単純なオールダウン状態から少し逸脱する。 Note that the NESS of the one-dimensional transverse-field Ising model with dissipation deviates slightly from a simple all-down state due to correlations induced by nearest-neighbor interactions.

図9に、本実施例の結果を示す。図9(A)には、本実施形態のdVQEによって得られた密度行列が示されている。また、図9(B)には、厳密な対角化によって得られた密度行列が示されている。なお、物理系の量子ビットの数はn=4であり、パラメータはg=h=1である。また、σ はi番目のスピンに作用する、パウリ行列のx成分を表し、σ はi番目のスピンに作用する、パウリ行列のz成分を表し、σ- はi番目のスピンに作用する、角運動量の消滅演算子を表す。また、散逸の強さγは、全て一定でγ=1とした。 FIG. 9 shows the results of this embodiment. FIG. 9(A) shows the density matrix obtained by the dVQE of this embodiment. FIG. 9(B) shows the density matrix obtained by strict diagonalization. Note that the number of quantum bits in the physical system is n=4, and the parameters are g=h=1. Also, σ x i represents the x component of the Pauli matrix acting on the i-th spin, σ z i represents the z component of the Pauli matrix acting on the i-th spin, and σ - i represents the annihilation operator of the angular momentum acting on the i-th spin. Also, the strength of dissipation γ i is all constant and γ i =1.

図9(A)(B)において、左側は実数部分の密度行列の計算結果を表し、右側は虚数部分の密度行列の計算結果を表す。図9に示されるように、本実施形態のdVQEによって得られた密度行列は、厳密な対角化によって得られた密度行列と良く一致していることがわかる。 In Figures 9(A) and (B), the left side shows the calculation results of the density matrix of the real part, and the right side shows the calculation results of the density matrix of the imaginary part. As shown in Figure 9, it can be seen that the density matrix obtained by dVQE of this embodiment is in good agreement with the density matrix obtained by strict diagonalization.

また、最適化の繰り返しによる目的関数の値の様子を、図10に示す。ベクトル表現としての忠実度Fは、以下の式(30)によって表される。 Figure 10 shows the behavior of the objective function value as the optimization is repeated. The fidelity F as a vector expression is expressed by the following equation (30).



(30)


(30)

ここで、|ρED>は、厳密な対角化によって得られた密度行列のベクトル表現である。また、|ρdVQE>は、dVQEによって得られた密度行列のベクトル表現である。 Here, |ρ ED > is a vector expression of the density matrix obtained by exact diagonalization, and |ρ dVQE > is a vector expression of the density matrix obtained by dVQE.

図10に示されるように、最適化が進むにつれて目的関数の値は減少していることがわかり、忠実度Fが上昇していることがわかる。 As shown in Figure 10, as the optimization progresses, the value of the objective function decreases, and the fidelity F increases.

なお、本開示の技術は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。 The technology disclosed herein is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and applications are possible without departing from the spirit and scope of the invention.

例えば、上記実施形態において、古典コンピュータ110と量子コンピュータ120との間の情報の送受信はどのようになされてもよい。例えば、古典コンピュータ110と量子コンピュータ120との間における、量子回路のパラメータの送受信及び測定結果の送受信等は、所定の計算が完了する毎に逐次送受信が行われてもよいし、全ての計算が完了した後に送受信が行われてもよい。 For example, in the above embodiment, information may be transmitted and received between the classical computer 110 and the quantum computer 120 in any manner. For example, the transmission and reception of quantum circuit parameters and measurement results between the classical computer 110 and the quantum computer 120 may be performed sequentially each time a predetermined calculation is completed, or may be performed after all calculations are completed.

上記実施形態においては、量子コンピュータ120による量子計算の計算結果が収束するまで、古典コンピュータ110による測定用の量子ビットの初期値の設定と、量子コンピュータ120による測定用の量子ビットの初期値に応じた量子計算の実行とが繰り返される場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、古典コンピュータ110が、測定用の量子ビットの複数の初期値セットの設定を一度に行い、量子コンピュータ120は、測定用の量子ビットの複数の初期値に応じた量子計算の実行を順次行うようにしてもよい。または、測定用の量子ビットの複数の初期値セットの各々を、複数の量子コンピュータ120へ送信し、複数の量子コンピュータ120の各々は、受信した初期値に応じて量子計算を実行し、古典コンピュータ110は、複数の量子コンピュータ120から各々の計算結果を受信して期待値を計算するようにしてもよい。 In the above embodiment, the classical computer 110 repeatedly sets the initial values of the measurement quantum bits and the quantum computer 120 executes the quantum calculation according to the initial values of the measurement quantum bits until the calculation result of the quantum calculation by the quantum computer 120 converges. However, the present invention is not limited to this. For example, the classical computer 110 may set multiple sets of initial values of the measurement quantum bits at once, and the quantum computer 120 may sequentially execute the quantum calculation according to the multiple initial values of the measurement quantum bits. Alternatively, each of the multiple initial value sets of the measurement quantum bits may be transmitted to multiple quantum computers 120, each of the multiple quantum computers 120 may execute the quantum calculation according to the received initial value, and the classical computer 110 may receive each calculation result from the multiple quantum computers 120 and calculate the expected value.

また、上記実施形態において、目的関数は<LL>である場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。 In the above embodiment, the objective function is <L L>, but the present invention is not limited to this.

また、上記実施形態では、第2の量子回路U(φ)の一例として、図7に示されるような、量子コンピュータのハードウェアにとって効率的な量子回路を用いる場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、第2の量子回路U(φ)として、ユニタリ結合クラスター量子回路等の他の種類の量子回路を用いても良い。 In the above embodiment, as an example of the second quantum circuit U(φ), a quantum circuit that is efficient for the hardware of a quantum computer as shown in FIG. 7 is used, but the present invention is not limited to this. For example, other types of quantum circuits, such as a unitary coupled cluster quantum circuit, may be used as the second quantum circuit U(φ).

また、上記実施形態において、初期値を設定する際の確率を上記式(29)によって求める場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、他の数式を用いて確率を設定するようにしてもよい。 In the above embodiment, the probability for setting the initial value is calculated using the above formula (29), but this is not limiting, and the probability may be set using other formulas.

また、上記実施形態では、ユーザ端末130から古典コンピュータ110へ計算対象情報が送信され、古典コンピュータ110が計算対象情報に応じた計算を実行する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ユーザ端末130を操作するユーザにおいて、ハミルトニアンとして当該問題を表現できる場合には、古典コンピュータ110は、ハミルトニアンHを計算対象情報として受信してもよい。ユーザ端末130は、IPネットワークなどのコンピュータネットワークを介して古典コンピュータ110又は古典コンピュータ110がアクセス可能な記憶媒体又は記憶装置に計算対象情報を送信してもよいが、記憶媒体又は記憶装置に記憶して古典コンピュータ110の運営者に渡し、当該運営者が古典コンピュータ110に当該記憶媒体又は記憶装置を用いて計算対象情報を入力するようにしてもよい。 In the above embodiment, the calculation target information is transmitted from the user terminal 130 to the classical computer 110, and the classical computer 110 executes a calculation according to the calculation target information. However, the present invention is not limited to this. For example, if the user who operates the user terminal 130 can express the problem as a Hamiltonian, the classical computer 110 may receive the Hamiltonian H as the calculation target information. The user terminal 130 may transmit the calculation target information to the classical computer 110 or a storage medium or storage device accessible to the classical computer 110 via a computer network such as an IP network, or may store the calculation target information in a storage medium or storage device and hand it over to the operator of the classical computer 110, who may then input the calculation target information to the classical computer 110 using the storage medium or storage device.

また、上記実施形態では、電磁波の照射によって量子回路が実行される場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、異なる方式によって量子回路が実行されてもよい。 In addition, in the above embodiment, a quantum circuit is executed by irradiating electromagnetic waves, but this is not limited to the above, and the quantum circuit may be executed by a different method.

また、上記実施形態では、異なる組織によって古典コンピュータ110及び量子コンピュータ120が管理されている場合を想定しているが、古典コンピュータ110及び量子コンピュータ120は同一の組織によって一体として管理されていてもよい。この場合には、量子計算情報の古典コンピュータ110から量子コンピュータ120への送信及び量子コンピュータ120から古典コンピュータ110への測定結果の送信は不要となる。また、この場合には、量子コンピュータ120の制御装置121において上述の説明における古典コンピュータ110の役割を担うことが考えられる。 In addition, in the above embodiment, it is assumed that the classical computer 110 and the quantum computer 120 are managed by different organizations, but the classical computer 110 and the quantum computer 120 may be managed as a single entity by the same organization. In this case, it is not necessary to transmit quantum computing information from the classical computer 110 to the quantum computer 120, and it is not necessary to transmit measurement results from the quantum computer 120 to the classical computer 110. In this case, it is also possible that the control device 121 of the quantum computer 120 plays the role of the classical computer 110 in the above description.

なお、上記実施形態においては、「××のみに基づいて」、「××のみに応じて」、「××のみの場合」というように「のみ」との記載がなければ、本明細書においては、付加的な情報も考慮し得ることが想定されていることに留意されたい。一例として、「aの場合にbする」という記載は、明示した場合を除き、「aの場合に常にbする」ことを必ずしも意味しない。 Please note that in the above embodiment, unless there is a statement such as "based only on XX", "depending only on XX", or "in the case of XX only", it is assumed in this specification that additional information may also be taken into consideration. As an example, the statement "in the case of a, do b" does not necessarily mean "in the case of a, always do b", unless expressly stated.

また、上記実施形態において、「最適化する」又は「最適化されたパラメータ」等の表現が用いられているが、これら「最適化」の表現は、最適な状態に近づけることを意味することに留意されたい。このため、ある関数が最小となるようなパラメータを得ようとする場合、当該関数を最適化して得られたパラメータは、当該関数が最小となるような大局解ではなく、局所解である場合も想定されることに留意されたい。 In addition, in the above embodiment, expressions such as "optimize" or "optimized parameters" are used, but it should be noted that these expressions of "optimization" mean to approach an optimal state. Therefore, when trying to obtain parameters that minimize a certain function, it should be noted that the parameters obtained by optimizing the function may be a local solution rather than a global solution that minimizes the function.

また、何らかの方法、プログラム、端末、装置、サーバ又はシステム(以下「方法等」)において、本明細書で記述された動作と異なる動作を行う側面があるとしても、開示の技術の各態様は、本明細書で記述された動作のいずれかと同一の動作を対象とするものであり、本明細書で記述された動作と異なる動作が存在することは、当該方法等を本開示の技術の各態様の範囲外とするものではない。 In addition, even if there is an aspect of a method, program, terminal, device, server, or system (hereinafter "method, etc.") that performs an operation different from that described in this specification, each aspect of the disclosed technology is directed to an operation identical to any of the operations described in this specification, and the existence of an operation different from that described in this specification does not make the method, etc. outside the scope of each aspect of the disclosed technology.

また、本願明細書中において、プログラムが予めインストールされている実施形態として説明したが、当該プログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して提供することも可能である。 In addition, although the present specification has described an embodiment in which the program is pre-installed, the program can also be provided by storing it on a computer-readable recording medium.

100 ハイブリッドシステム
110 古典コンピュータ
111 通信部
112 処理部
113 情報記憶部
120 量子コンピュータ
121 制御装置
122 電磁波生成装置
123 量子ビット群
130 ユーザ端末
Reference Signs List 100 Hybrid system 110 Classical computer 111 Communication unit 112 Processing unit 113 Information storage unit 120 Quantum computer 121 Control device 122 Electromagnetic wave generating device 123 Quantum bit group 130 User terminal

Claims (14)

古典コンピュータと量子コンピュータとを含むハイブリッドシステムが実行する量子情報処理方法であって、
前記古典コンピュータが、開放量子系における目的関数を計算し、
前記古典コンピュータが、開放量子系の定常状態を求めるための第1の量子回路の構造を決定し、
前記古典コンピュータが、前記目的関数と、前記第1の量子回路の構造と、前記第1の量子回路のパラメータの初期値とを出力し、
前記量子コンピュータが、前記古典コンピュータから出力された、前記目的関数と前記第1の量子回路の構造と前記パラメータの初期値とに応じて、量子回路のパラメータを逐次的に更新することにより、ハミルトニアンの最小の固有値を近似的に計算する量子計算を実行し、前記第1の量子回路のパラメータを生成し、前記第1の量子回路のパラメータを出力し、
前記古典コンピュータが、前記量子コンピュータから出力された前記第1の量子回路のパラメータに応じて、測定用の量子ビットの初期値を設定し、
前記古典コンピュータが、測定対象の物理量を表す情報と、定常状態における前記測定対象の物理量を測定するための第2の量子回路と、前記測定用の量子ビットの初期値とを出力し、
前記量子コンピュータが、前記古典コンピュータから出力された、前記測定対象の物理量を表す情報と、前記第2の量子回路と、前記測定用の量子ビットの初期値とに応じた量子計算を実行し、前記量子計算の測定結果を出力し、
前記古典コンピュータが、前記量子コンピュータから出力された前記測定結果に応じて、前記測定対象の物理量の計算結果を出力する、
処理を含む開放量子系のための量子情報処理方法。
A quantum information processing method executed by a hybrid system including a classical computer and a quantum computer, comprising:
The classical computer calculates an objective function in an open quantum system ;
The classical computer determines a structure of a first quantum circuit for obtaining a stationary state of an open quantum system;
The classical computer outputs the objective function, a structure of the first quantum circuit, and initial values of parameters of the first quantum circuit;
The quantum computer executes a quantum computation to approximately calculate a minimum eigenvalue of a Hamiltonian by sequentially updating parameters of the quantum circuit according to the objective function, the structure of the first quantum circuit, and the initial values of the parameters output from the classical computer, to generate parameters of the first quantum circuit , and to output the parameters of the first quantum circuit;
The classical computer sets an initial value of a measurement quantum bit in accordance with the parameter of the first quantum circuit output from the quantum computer;
the classical computer outputs information representing a physical quantity of a measurement object, a second quantum circuit for measuring the physical quantity of the measurement object in a steady state, and an initial value of the measurement quantum bit;
The quantum computer executes a quantum computation according to the information representing the physical quantity of the measurement object output from the classical computer, the second quantum circuit, and the initial value of the measurement quantum bit, and outputs a measurement result of the quantum computation;
The classical computer outputs a calculation result of the physical quantity of the measurement target in response to the measurement result output from the quantum computer.
-Quantum information processing method for open quantum systems including quantum processing.
前記古典コンピュータは、前記第1の量子回路の構造を決定する際に、以下の式(A)に表す条件(II)及び条件(III)を満たすように、前記第1の量子回路の構造を決定し、
前記古典コンピュータは、前記第2の量子回路を出力する際に、以下の式(A)に表す条件(I)、条件(II)、及び条件(III)を満たす前記第2の量子回路を出力する、
請求項1に記載の開放量子系のための量子情報処理方法。



(A)
ただし、ρ^は開放量子系における混合状態の密度行列を表し、ρ^はρ^のエルミート共役を表し、|ψ>は量子状態を表す。また、任意の|ψ>について上記(II)が成立する。
When determining the structure of the first quantum circuit, the classical computer determines the structure of the first quantum circuit so as to satisfy conditions (II) and (III) shown in the following formula (A),
When outputting the second quantum circuit, the classical computer outputs the second quantum circuit that satisfies conditions (I), (II), and (III) shown in the following formula (A).
Quantum information processing method for an open quantum system according to claim 1.



(A)
where ρ^ denotes the density matrix of the mixed state in an open quantum system, ρ^ denotes the Hermitian conjugate of ρ^, and |ψ> denotes a quantum state. Moreover, the above (II) holds for any |ψ>.
前記第1の量子回路を表す行列は、固有値の分布を生成するための行列と、基底変換を行うための行列とを含む、
請求項1又は請求項2に記載の開放量子系のための量子情報処理方法。
The matrix representing the first quantum circuit includes a matrix for generating a distribution of eigenvalues and a matrix for performing basis transformation.
3. A quantum information processing method for an open quantum system according to claim 1 or 2.
前記第1の量子回路のパラメータには、固有値の分布を制御するパラメータθと、基底変換を行うための行列のパラメータφとが含まれる、
請求項1~請求項3の何れか1項に記載の開放量子系のための量子情報処理方法。
The parameters of the first quantum circuit include a parameter θ that controls a distribution of eigenvalues and a parameter φ of a matrix for performing basis transformation.
A quantum information processing method for an open quantum system according to any one of claims 1 to 3.
前記古典コンピュータは、前記測定用の量子ビットの初期値を設定する際に、前記量子コンピュータによって生成されたパラメータθに応じて確率λ(θ)を計算し、計算した前記確率λ(θ)に応じて、前記測定用の量子ビットの初期値を設定する、
請求項4に記載の開放量子系のための量子情報処理方法。
When setting an initial value of the measurement quantum bit, the classical computer calculates a probability λ q (θ ′) according to a parameter θ generated by the quantum computer, and sets an initial value of the measurement quantum bit according to the calculated probability λ q ( θ ′ ) .
5. A quantum information processing method for an open quantum system according to claim 4.
前記第2の量子回路は、前記量子コンピュータによって生成されたパラメータφが反映された、前記第1の量子回路のうちのユニタリー回路U(φ)である、
請求項4又は請求項5に記載の開放量子系のための量子情報処理方法。
The second quantum circuit is a unitary circuit U(φ ) of the first quantum circuit, in which a parameter φ generated by the quantum computer is reflected.
6. A quantum information processing method for an open quantum system according to claim 4 or 5.
前記量子コンピュータによる量子計算の計算結果が収束するまで、前記古典コンピュータによる前記測定用の量子ビットの初期値の設定と、前記量子コンピュータによる前記測定用の量子ビットの初期値に応じた量子計算の実行と、を繰り返す、
請求項1~請求項6の何れか1項に記載の開放量子系のための量子情報処理方法。
repeating setting an initial value of the measurement quantum bit by the classical computer and executing the quantum computation by the quantum computer according to the initial value of the measurement quantum bit until a calculation result of the quantum computation by the quantum computer converges;
A quantum information processing method for an open quantum system according to any one of claims 1 to 6.
前記古典コンピュータと前記量子コンピュータとはコンピュータネットワークを介して接続されており、
前記古典コンピュータと前記量子コンピュータとは、前記コンピュータネットワークを介して情報の送受信を行う、
請求項1~請求項7の何れか1項に記載の開放量子系のための量子情報処理方法。
the classical computer and the quantum computer are connected via a computer network;
The classical computer and the quantum computer transmit and receive information via the computer network.
A quantum information processing method for an open quantum system according to any one of claims 1 to 7.
古典コンピュータが、
開放量子系における目的関数を計算し、
開放量子系の定常状態を求めるための第1の量子回路の構造を決定し、
前記第1の量子回路の構造と、前記第1の量子回路のパラメータの初期値とを出力し、
量子コンピュータから出力された、前記第1の量子回路の構造と前記パラメータの初期値とに基づき計算された前記第1の量子回路のパラメータであって、かつ量子回路のパラメータを逐次的に更新することにより、ハミルトニアンの最小の固有値を近似的に計算する量子計算により生成された前記第1の量子回路のパラメータに応じて、測定用の量子ビットの初期値を設定し、
測定対象の物理量を表す情報と、定常状態における前記測定対象の物理量を測定するための第2の量子回路と、前記測定用の量子ビットの初期値とを出力し、
前記量子コンピュータから出力された、前記測定対象の物理量を表す情報と、前記測定用の量子回路である第2の量子回路と、前記測定用の量子ビットの初期値とに応じた量子計算の測定結果に応じて、前記測定対象の物理量の計算結果を出力する、
処理を実行する開放量子系のための量子情報処理方法。
Classical computers,
Calculate the objective function in the open quantum system ,
Determining the structure of a first quantum circuit for obtaining a stationary state of an open quantum system;
Outputting a structure of the first quantum circuit and initial values of parameters of the first quantum circuit;
setting an initial value of a quantum bit for measurement according to parameters of the first quantum circuit calculated based on a structure of the first quantum circuit and initial values of the parameters output from a quantum computer, the parameters of the first quantum circuit being generated by a quantum calculation that approximately calculates a minimum eigenvalue of a Hamiltonian by sequentially updating the parameters of the quantum circuit;
outputting information representing a physical quantity of an object to be measured, a second quantum circuit for measuring the physical quantity of the object to be measured in a steady state, and an initial value of the quantum bit for measurement;
outputting a calculation result of the physical quantity of the object to be measured according to a measurement result of a quantum computation according to information representing the physical quantity of the object to be measured output from the quantum computer, a second quantum circuit which is the quantum circuit for measurement, and an initial value of the quantum bit for measurement;
A quantum information processing method for an open quantum system performing the processing.
量子コンピュータが、
古典コンピュータから出力された、開放量子系における目的関数と、開放量子系の定常状態を求めるための第1の量子回路の構造と、前記第1の量子回路のパラメータの初期値とに応じて、量子回路のパラメータを逐次的に更新することにより、ハミルトニアンの最小の固有値を近似的に計算する量子計算を実行し、前記第1の量子回路のパラメータを生成し、前記第1の量子回路のパラメータを出力し、
前記古典コンピュータから出力された、測定対象の物理量を表す情報と、定常状態における前記測定対象の物理量を測定するための第2の量子回路と、前記第1の量子回路のパラメータに応じて設定された測定用の量子ビットの初期値と、に応じた量子計算を実行し、前記量子計算の測定結果を出力する、
処理を実行する開放量子系のための量子情報処理方法。
Quantum computers,
Executing a quantum computation to approximately calculate a minimum eigenvalue of a Hamiltonian by sequentially updating parameters of a quantum circuit according to an objective function in an open quantum system , a structure of a first quantum circuit for obtaining a stationary state of the open quantum system , and initial values of parameters of the first quantum circuit, which are output from a classical computer, to generate parameters of the first quantum circuit, and output the parameters of the first quantum circuit;
execute a quantum computation according to information indicating a physical quantity of the measurement object output from the classical computer, a second quantum circuit for measuring the physical quantity of the measurement object in a steady state, and an initial value of a measurement quantum bit set according to a parameter of the first quantum circuit, and output a measurement result of the quantum computation.
A quantum information processing method for an open quantum system performing the processing.
開放量子系における目的関数を計算し、
開放量子系の定常状態を求めるための第1の量子回路の構造を決定し、
前記第1の量子回路の構造と、前記第1の量子回路のパラメータの初期値とを出力し、
量子コンピュータから出力された、前記第1の量子回路の構造と前記パラメータの初期値とに基づき計算された前記第1の量子回路のパラメータであって、かつ量子回路のパラメータを逐次的に更新することにより、ハミルトニアンの最小の固有値を近似的に計算する量子計算により生成された前記第1の量子回路のパラメータに応じて、測定用の量子ビットの初期値を設定し、
測定対象の物理量を表す情報と、定常状態における前記測定対象の物理量を測定するための第2の量子回路と、前記測定用の量子ビットの初期値とを出力し、
前記量子コンピュータから出力された、前記測定対象の物理量を表す情報と、前記測定用の量子回路である第2の量子回路と、前記測定用の量子ビットの初期値とに応じた量子計算の測定結果に応じて、前記測定対象の物理量の計算結果を出力する、
処理を実行する古典コンピュータ。
Calculate the objective function in the open quantum system ,
Determining the structure of a first quantum circuit for obtaining a stationary state of an open quantum system;
Outputting a structure of the first quantum circuit and initial values of parameters of the first quantum circuit;
setting an initial value of a quantum bit for measurement according to parameters of the first quantum circuit, the parameters of the first quantum circuit being calculated based on a structure of the first quantum circuit and initial values of the parameters output from a quantum computer, and generated by a quantum calculation that approximately calculates a minimum eigenvalue of a Hamiltonian by sequentially updating the parameters of the quantum circuit;
outputting information representing a physical quantity of an object to be measured, a second quantum circuit for measuring the physical quantity of the object to be measured in a steady state, and an initial value of the quantum bit for measurement;
outputting a calculation result of the physical quantity of the object to be measured according to a measurement result of a quantum computation corresponding to information indicating the physical quantity of the object to be measured output from the quantum computer, a second quantum circuit which is the quantum circuit for measurement, and an initial value of the quantum bit for measurement;
A classical computer performs the processing.
古典コンピュータから出力された、開放量子系における目的関数と、開放量子系の定常状態を求めるための第1の量子回路の構造と、前記第1の量子回路のパラメータの初期値とに応じて、量子回路のパラメータを逐次的に更新することにより、ハミルトニアンの最小の固有値を近似的に計算する量子計算を実行し、前記第1の量子回路のパラメータを生成し、前記第1の量子回路のパラメータを出力し、
前記古典コンピュータから出力された、測定対象の物理量を表す情報と、定常状態における前記測定対象の物理量を測定するための第2の量子回路と、前記第1の量子回路のパラメータに応じて設定された測定用の量子ビットの初期値と、に応じた量子計算を実行し、前記量子計算の測定結果を出力する、
処理を実行する量子コンピュータ。
Executing a quantum computation to approximately calculate a minimum eigenvalue of a Hamiltonian by sequentially updating parameters of a quantum circuit according to an objective function in an open quantum system , a structure of a first quantum circuit for obtaining a stationary state of the open quantum system , and initial values of parameters of the first quantum circuit, which are output from a classical computer, to generate parameters of the first quantum circuit, and output the parameters of the first quantum circuit;
execute a quantum computation according to information indicating a physical quantity of the measurement object output from the classical computer, a second quantum circuit for measuring the physical quantity of the measurement object in a steady state, and an initial value of a measurement quantum bit set according to a parameter of the first quantum circuit, and output a measurement result of the quantum computation.
The quantum computer that performs the processing.
開放量子系における目的関数を計算し、
開放量子系の定常状態を求めるための第1の量子回路の構造を決定し、
前記第1の量子回路の構造と、前記第1の量子回路のパラメータの初期値とを出力し、
量子コンピュータから出力された、前記第1の量子回路の構造と前記パラメータの初期値とに基づき計算された前記第1の量子回路のパラメータであって、かつ量子回路のパラメータを逐次的に更新することにより、ハミルトニアンの最小の固有値を近似的に計算する量子計算により生成された前記第1の量子回路のパラメータに応じて、測定用の量子ビットの初期値を設定し、
測定対象の物理量を表す情報と、定常状態における前記測定対象の物理量を測定するための第2の量子回路と、前記測定用の量子ビットの初期値とを出力し、
前記量子コンピュータから出力された、前記測定対象の物理量を表す情報と、前記測定用の量子回路である第2の量子回路と、前記測定用の量子ビットの初期値とに応じた量子計算の測定結果に応じて、前記測定対象の物理量の計算結果を出力する、
処理を古典コンピュータに実行させるための量子情報処理プログラム。
Calculate the objective function in the open quantum system ,
Determining the structure of a first quantum circuit for obtaining a stationary state of an open quantum system;
Outputting a structure of the first quantum circuit and initial values of parameters of the first quantum circuit;
setting an initial value of a quantum bit for measurement according to parameters of the first quantum circuit calculated based on a structure of the first quantum circuit and initial values of the parameters output from a quantum computer, the parameters of the first quantum circuit being generated by a quantum calculation that approximately calculates a minimum eigenvalue of a Hamiltonian by sequentially updating the parameters of the quantum circuit;
outputting information representing a physical quantity of an object to be measured, a second quantum circuit for measuring the physical quantity of the object to be measured in a steady state, and an initial value of the quantum bit for measurement;
outputting a calculation result of the physical quantity of the object to be measured according to a measurement result of a quantum computation corresponding to information indicating the physical quantity of the object to be measured output from the quantum computer, a second quantum circuit which is the quantum circuit for measurement, and an initial value of the quantum bit for measurement;
A quantum information processing program that allows processing to be performed by a classical computer.
古典コンピュータから出力された、開放量子系における目的関数と、開放量子系の定常状態を求めるための第1の量子回路の構造と、前記第1の量子回路のパラメータの初期値とに応じて、量子回路のパラメータを逐次的に更新することにより、ハミルトニアンの最小の固有値を近似的に計算する量子計算を実行し、前記第1の量子回路のパラメータを生成し、前記第1の量子回路のパラメータを出力し、
前記古典コンピュータから出力された、測定対象の物理量を表す情報と、定常状態における前記測定対象の物理量を測定するための第2の量子回路と、前記第1の量子回路のパラメータに応じて設定された測定用の量子ビットの初期値と、に応じた量子計算を実行し、前記量子計算の測定結果を出力する、
処理を量子コンピュータに実行させるための量子情報処理プログラム。
Executing a quantum computation to approximately calculate a minimum eigenvalue of a Hamiltonian by sequentially updating parameters of a quantum circuit according to an objective function in an open quantum system , a structure of a first quantum circuit for obtaining a stationary state of the open quantum system , and initial values of parameters of the first quantum circuit, which are output from a classical computer, to generate parameters of the first quantum circuit, and output the parameters of the first quantum circuit;
execute a quantum computation according to information indicating a physical quantity of the measurement object output from the classical computer, a second quantum circuit for measuring the physical quantity of the measurement object in a steady state, and an initial value of a measurement quantum bit set according to a parameter of the first quantum circuit, and output a measurement result of the quantum computation.
A quantum information processing program that causes processing to be performed by a quantum computer.
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