JP7630826B2 - Quantum information processing method, classical computer, hybrid system, and quantum information processing program - Google Patents
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Description
開示の技術は、量子情報処理方法、古典コンピュータ、ハイブリッドシステム、及び量子情報処理プログラムに関する。 The disclosed technology relates to a quantum information processing method, a classical computer, a hybrid system, and a quantum information processing program.
Noisy Intermediate-Scale Quantum(NISQ)デバイスを用いて量子計算を実行するための変分量子アルゴリズムが知られている(例えば、非特許文献1,2を参照)。変分量子アルゴリズムを実行するためには、観測対象の物理量(以下、単に「オブザーバブル」とも称する。)の期待値を量子コンピュータで計算する必要がある。 A variational quantum algorithm for performing quantum computation using a Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) device is known (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2). To perform a variational quantum algorithm, it is necessary to calculate the expectation value of the physical quantity to be observed (hereinafter, simply referred to as "observable") using a quantum computer.
量子コンピュータを用いてオブザーバブルの期待値を計算する際には、量子コンピュータによって状態が生成された後にその状態が測定される。そして、量子コンピュータによる状態の測定結果に基づきオブザーバブルの期待値が計算される。なお、量子コンピュータによる1回の状態の生成とそれに対する状態の測定とから構成される一連の処理は「ショット」とも称される。 When calculating the expected value of an observable using a quantum computer, a state is generated by the quantum computer and then that state is measured. The expected value of the observable is then calculated based on the results of measuring the state by the quantum computer. Note that a series of processes consisting of generating one state by the quantum computer and measuring that state is also called a "shot."
変分量子アルゴリズムを量子化学計算に適用する場合、状態の測定の統計揺らぎを十分小さくするために必要なショット数が過大となる場合がある。例えば、非特許文献3は、実際の分子のエネルギーを求める量子化学計算問題を考察し、量子化学分野で要求されるエネルギーの精度よりも統計揺らぎを小さくするためには膨大なショット数が必要であり、エネルギーの期待値を一回取得するだけで数日かかってしまうという結果を示している。このため、例えば、非特許文献4では、複数のパウリ演算子を同時に測定するなどして、全体でのショット数を減らすための試みがなされている。 When applying variational quantum algorithms to quantum chemical calculations, the number of shots required to sufficiently reduce the statistical fluctuations in state measurements may be excessive. For example, Non-Patent Document 3 considers a quantum chemical calculation problem to find the energy of an actual molecule, and shows that a huge number of shots are required to reduce the statistical fluctuations more than the energy accuracy required in quantum chemistry, and it takes several days just to obtain the expected value of the energy once. For this reason, for example, Non-Patent Document 4 attempts to reduce the total number of shots by measuring multiple Pauli operators simultaneously.
開示の技術は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、量子コンピュータを用いてオブザーバブルの期待値を効率的に得ることができる、量子情報処理方法、古典コンピュータ、ハイブリッドシステム、及び量子情報処理プログラム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, a classical computer, a hybrid system, and a quantum information processing program that can efficiently obtain the expected value of an observable using a quantum computer.
上記の目的を達成するために本開示の一態様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のうちの古典コンピュータが実行する量子情報処理方法であって、複数の計算基底の線形結合によってN量子ビットの状態|ψ>が表現される場合に、量子コンピュータによって測定された複数の計算基底の各々の測定値を取得し、複数の計算基底の各々の測定値に基づいて、複数の測定値から出現回数が多いR個の測定値又は出現回数が所定値以上であるR個の測定値を選択し、選択されたR個の測定値の出現回数に基づいて、出現回数に応じたR個の計算基底|zr>(r=1,・・・,R)に対する重み係数frを計算し、重み係数frと重み係数fr’との組み合わせを重みとする、複数の遷移行列要素<zr|O|zr’>の重み付け和によって、オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>を近似計算する、処理を古典コンピュータが実行する量子情報処理方法である。 In order to achieve the above-mentioned object, a quantum information processing method of one embodiment of the present disclosure is a quantum information processing method executed by a classical computer in a hybrid system including a classical computer and a quantum computer, in which, when a state |ψ〉 of N quantum bits is expressed by a linear combination of multiple computational bases, measurement values of each of the multiple computational bases measured by the quantum computer are acquired, and based on the measurement values of each of the multiple computational bases, R measurement values that occur frequently or R measurement values whose occurrence count is equal to or greater than a predetermined value are selected from the multiple measurement values, and based on the occurrence counts of the selected R measurement values, weighting coefficients f r for R computational bases |z r 〉 (r = 1, ..., R) corresponding to the occurrence counts are calculated, and an approximate calculation of an expectation value <ψ|O|ψ> of an observable O is performed by a weighted sum of multiple transition matrix elements <z r |O|z r' >, where the combination of weighting coefficient f r and weighting coefficient f r' is used as weight.
開示の技術によれば、量子コンピュータを用いてオブザーバブルの期待値を効率的に得ることができる、という効果が得られる。 The disclosed technology has the effect of making it possible to efficiently obtain the expected value of an observable using a quantum computer.
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.
<実施形態に係るハイブリッドシステム100> <Hybrid system 100 according to the embodiment>
図1に、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Internet Protocol(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接続されている。 Figure 1 shows a hybrid system 100 according to an embodiment. The hybrid system 100 of 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 Internet Protocol (IP) 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。量子コンピュータ120のうちの電磁波生成装置122及び量子ビット群123は、QPU(Quantum processing unit)でもある。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 a request from the control device 121, and a group of quantum bits 123 that receives electromagnetic wave irradiation from the electromagnetic wave generating device 122. The electromagnetic wave generating device 122 and the group of quantum bits 123 of the quantum computer 120 are also QPUs (Quantum Processing Units). Note that in this embodiment, "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U(θ)のパラメータθ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U(θ)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 instead 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 U(θ) in the quantum bit group 123 in response to receiving a parameter θ of the quantum circuit U(θ).
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Central processing unit(CPU)51、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 central processing unit (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.
実施形態のハイブリッドシステム100は、オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>を効率的に計算する。以下、実施形態のハイブリッドシステム100が実行する処理の前提事項について説明する。 The hybrid system 100 of the embodiment efficiently calculates the expected value <ψ|O|ψ> of the observable O. Below, we will explain the assumptions for the processing performed by the hybrid system 100 of the embodiment.
[1.問題設定と背景] [1. Problem setting and background]
量子コンピュータ上に生成されたN量子ビットの状態|ψ>を考える。なお、状態|ψ>は2のN乗個の成分を持つ縦ベクトルである。本実施形態では、特定の量子回路Uを用いて|ψ>=U|0>と表すことが可能であり、量子コンピュータ上において状態|ψ>を繰り返し生成することが可能であるものとする。なお、|0>は初期化されたN量子ビットの状態を表す。 Consider the state |ψ> of N quantum bits generated on a quantum computer. The state |ψ> is a vertical vector with 2 N components. In this embodiment, it is possible to express |ψ> = U|0> using a specific quantum circuit U, and it is possible to repeatedly generate the state |ψ> on a quantum computer. Note that |0> represents the initialized state of N quantum bits.
本実施形態のハイブリッドシステム100が実行する量子情報処理方法は、以下の式(1)に示される、オブザーバブルOの期待値を量子コンピュータ上で効率的に測定するための方法である。 The quantum information processing method executed by the hybrid system 100 of this embodiment is a method for efficiently measuring the expectation value of an observable O on a quantum computer, as shown in the following equation (1).
(1)
(1)
[2.従来の期待値の測定方法と課題] [2. Conventional methods for measuring expectations and their challenges]
オブザーバブルOの期待値の従来の測定方法は、以下のステップにより構成される。 The conventional method for measuring the expectation value of an observable O consists of the following steps:
(1)オブザーバブルOのパウリ演算子への分解
N量子ビット上のオブザーバブルOは、以下のパウリ演算子の線形結合により表現される。
(1) Decomposition of an observable O into Pauli operators An observable O on N quantum bits is expressed as a linear combination of the following Pauli operators.
オブザーバブルOは、以下の式(2)に示されるように、パウリ演算子Piの線形結合によって表現される。 The observable O is expressed by a linear combination of Pauli operators P i as shown in the following equation (2).
(2)
(2)
ここで、I,X,Y,Zは恒等演算子と1量子ビットのパウリ行列である。また、上記式(2)におけるciは展開係数であり、Mはパウリ演算子の総数である。上記式(2)に基づくと、演算子であるオブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>は、以下の式(3)によって表される。 Here, I, X, Y, and Z are the identity operator and the Pauli matrix of one quantum bit. In addition, c i in the above formula (2) is the expansion coefficient, and M is the total number of Pauli operators. Based on the above formula (2), the expectation value <ψ|O|ψ> of the operator, the observable O, is expressed by the following formula (3).
(3)
(3)
(2)パウリ演算子の期待値の測定
次に、量子コンピュータによって上記式(3)の右辺の各項<ψ|Pi|ψ>が測定される。<ψ|Pi|ψ>はパウリ演算子の期待値である。パウリ演算子の期待値<ψ|Pi|ψ>は、量子コンピュータにおける標準的な測定操作によって得られる。具体的には、状態|ψ>を量子コンピュータ上に1回生成し、パウリ演算子Piに応じた測定操作が行われると、+1及び-1の何れかの結果が確率的に得られる。なお、その確率は|ψ>とPiとの組み合わせによって決定される。
(2) Measurement of the expectation value of the Pauli operator Next, each term <ψ|P i |ψ> on the right side of the above formula (3) is measured by a quantum computer. <ψ|P i |ψ> is the expectation value of the Pauli operator. The expectation value <ψ|P i |ψ> of the Pauli operator is obtained by a standard measurement operation in a quantum computer. Specifically, when a state |ψ> is generated once on a quantum computer and a measurement operation according to the Pauli operator P i is performed, a result of either +1 or -1 is probabilistically obtained. The probability is determined by the combination of |ψ> and P i .
状態をli回生成して得られたli個の測定結果の平均が、期待値<ψ|Pi|ψ>として利用される。なお、li個の測定結果の各々は+1及び-1の何れかの値である。 The average of the l i measurement results obtained by generating the state l i times is used as the expected value <ψ|P i |ψ>, where each of the l i measurement results has a value of either +1 or −1.
例えば、状態が100回生成され、+1が30回得られ、-1が70回得られた場合には、その期待値は(30-70)/100=-0.4と推定される。 For example, if a state is generated 100 times, +1 is obtained 30 times, and -1 is obtained 70 times, the expected value is estimated to be (30-70)/100=-0.4.
なお、測定結果は確率的であるため、推定された期待値<ψ|Pi|ψ>には統計揺らぎが存在する。この統計揺らぎは、+1又は-1を得るための試行回数liに対して1/√liで小さくなる。なお、上述したように、量子コンピュータの分野では、状態を生成して測定を行うという一連の処理は「ショット」とも称される。このため、以下では、liを単に「ショット数」とも称する。 Since the measurement result is probabilistic, the estimated expected value <ψ|P i |ψ> has statistical fluctuations. This statistical fluctuation is smaller by 1/√l i with respect to the number of trials l i to obtain +1 or -1. As mentioned above, in the field of quantum computers, a series of processes of generating a state and performing a measurement is also called a "shot." For this reason, hereinafter, l i will also be simply called the "number of shots."
(3)パウリ演算子の期待値の加算処理
次に、上記(2)で得られた期待値<ψ|Pi|ψ>の値に基づいて、上記式(3)が計算されることにより、オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>が計算される。
(3) Addition process of expectation values of Pauli operators Next, the expectation value <ψ|P i |ψ> of the observable O is calculated by calculating the above equation (3) based on the value of the expectation value <ψ|O|ψ> obtained in (2) above.
このように、NISQデバイスはオブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>を直接測定することはできないものの、パウリ演算子の期待値<ψ|Pi|ψ>は容易に測定可能であるため、パウリ演算子の期待値<ψ|Pi|ψ>に基づきオブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>が計算される。 In this way, although a NISQ device cannot directly measure the expectation value <ψ|O|ψ> of the observable O, the expectation value <ψ|P i |ψ> of the Pauli operator can be easily measured, so the expectation value <ψ| O |ψ> of the observable O is calculated based on the expectation value <ψ|P i |ψ> of the Pauli operator.
[3.課題]
NISQデバイスを用いて量子化学計算を実行する際に変分量子アルゴリズムを用いる場合、測定の統計揺らぎを十分小さくするのに必要なショット数の総和l1+・・・+lMが過大となる場合が多い。この場合には、現実的な時間内に量子化学計算が終了しない、という場合がある。特に、量子ビット数Nが大きな系では、非常に多く(M=O(N4)個)のパウリ演算子の期待値を測定する必要がある。そこで、本実施形態では、オブザーバブルOの期待値を効率的に計算する方法を提案する。
3. Issues
When using a variational quantum algorithm to perform quantum chemical calculations using an NISQ device, the total number of shots required to sufficiently reduce the statistical fluctuation of the measurement, l 1 + ... +l M , often becomes excessively large. In this case, the quantum chemical calculation may not be completed within a realistic time. In particular, in a system with a large number of quantum bits N, it is necessary to measure the expectation values of a very large number of Pauli operators (M = O (N 4 )). Therefore, in this embodiment, a method for efficiently calculating the expectation value of the observable O is proposed.
[4.本実施形態の期待値の測定方法]
オブザーバブルOの状態|ψ>による期待値は、以下の式(4)によって表される。
[4. Method for Measuring Expected Value in the Present Embodiment]
The expectation value of the state |ψ〉 of the observable O is expressed by the following equation (4).
(4)
(4)
一般に、状態|ψ>は完全系に属する基底ベクトルの線形結合として表される。完全系の候補としては様々な可能性があるが、以下では、議論を具体的に進めるために完全系として計算基底|n>(n=0,1,・・・,2N-1)を用いる。状態|ψ>は、計算基底|n>により以下の式(5)のように展開される。 In general, the state |ψ〉 is expressed as a linear combination of basis vectors belonging to a complete system. There are various possibilities for the complete system, but in the following, in order to concretely advance the discussion, a computational basis |n〉 (n=0, 1, ..., 2 N -1) is used as the complete system. The state |ψ〉 is expanded as shown in the following formula (5) using the computational basis |n〉.
(5)
(5)
ここで、展開係数αnは、状態|ψ>と計算基底|n>との内積により計算される複素数である。 Here, the expansion coefficient α n is a complex number calculated by the inner product of the state |ψ〉 and the calculation basis |n〉.
(6)
(6)
上記式(6)におけるαnは確率振幅とも称され、その絶対値の2乗である|αn|2は確率を表す。このため、状態|ψ>が量子コンピュータ上に用意され、その状態|ψ>に対して標準的な測定操作が行われた場合、測定結果としてn=0,1,・・・,2N-1の何れかの値が確率的に得られる。そして|αn|2は測定結果がある特定の値nとなる確率を表す。 In the above formula (6), α n is also called the probability amplitude, and its absolute value squared, |α n | 2 , represents the probability. Therefore, when a state |ψ〉 is prepared on a quantum computer and a standard measurement operation is performed on the state |ψ〉, one of the values n=0, 1, ..., 2 N -1 is probabilistically obtained as the measurement result. And |α n | 2 represents the probability that the measurement result will be a certain value n.
なお、逆に、量子コンピュータ上に状態|ψ>を用意して計算基底|n>へ射影測定する、というような操作を繰り返すことにより測定結果nの頻度分布が得られ、その頻度分布から真の確率である|αn|2の値を推定することが可能となる。 Conversely, by repeating the operation of preparing a state |ψ〉 on a quantum computer and projecting and measuring it onto the computational basis |n〉, a frequency distribution of the measurement result n can be obtained, and the value of |α n | 2 , which is the true probability, can be estimated from the frequency distribution.
ここで、状態|ψ>に付随する量である確率振幅αnを用いて、期待値<ψ|O|ψ>を書き直すことができる。計算基底|n>(n=0,1,・・・,2N-1)が完全系を成すことを表す次式を用いた場合、以下の式(7)が導出される。 Here, the expectation value <ψ|O|ψ> can be rewritten using the probability amplitude α n , which is a quantity associated with the state |ψ>. When the following equation, which indicates that the computational basis |n> (n=0, 1, ..., 2 N -1) forms a complete system, is used, the following equation (7) is derived.
(7)
(7)
なお、上記式(7)の最終行においては、αn=0又はαm=0となる項は含まれないものとする。上記式(7)は、|αm|2|αn|2を重みとして、<m|O|n>/(αmαn *)を足し上げることにより、オブザーバブルOの状態|ψ>での期待値が得られることを意味する。以下で説明するように、<m|O|n>は古典コンピュータによって効率的に計算することが可能である。また、αmαn *は量子コンピュータを用いて測定することが可能である。このため、量子コンピュータを用いて測定された|αn|2及びαmαn *と、古典コンピュータを用いて計算された<m|O|n>とを組み合わせることにより、オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>が得られる。 In addition, the last line of the above formula (7) does not include a term where α n = 0 or α m =0. The above formula (7) means that the expected value of the observable O in the state | ψ > is obtained by adding up <m|O|n>/(α m α n * ) with |α m | 2 |α n | 2 as a weight. As described below, <m|O|n> can be efficiently calculated by a classical computer. Also, α m α n * can be measured using a quantum computer. Therefore, the expected value <ψ|O|ψ> of the observable O is obtained by combining |α n | 2 and α m α n * measured using a quantum computer with <m|O|n> calculated using a classical computer.
具体的には、計算基底|n>と計算基底|m>との組み合わせに対応する遷移行列要素<m|O|n>は、上記式(2)で与えられたオブザーバブルOのパウリ演算子Piによる分解により、次式のように展開される。 Specifically, the transition matrix element <m|O|n> corresponding to the combination of the computational basis |n> and the computational basis |m> is expanded as follows by decomposing the observable O given in the above equation (2) by the Pauli operator P i .
上記式における<m|Pi|n>は古典コンピュータによって効率良く計算可能である。なお、古典コンピュータによって効率良く計算可能とは、量子ビット数に対して線形時間で計算可能であることを意味する。そして、遷移行列要素<m|O|n>は、古典コンピュータにより計算された<m|Pi|n>を足し合わせることにより得られる。 In the above formula, <m|P i |n> can be efficiently calculated by a classical computer. Note that, being efficiently calculated by a classical computer means that it can be calculated in a linear time with respect to the number of quantum bits. The transition matrix element <m|O|n> is obtained by adding up the <m|P i |n> calculated by the classical computer.
次に、αmαn *について説明する。m=nの場合、αmαn *=|αn|2となるため、前述したように|ψ>の計算基底|n>でのサンプリングによって量子コンピュータを用いて測定することが可能となる。一方、m≠nの場合には、量子コンピュータ上での別の測定操作が必要となる。この点について説明するためには、以下の変換が必要となる。 Next, α m α n * will be explained. When m = n, α m α n * = |α n | 2 , so as described above, it is possible to measure using a quantum computer by sampling in the computational basis |n> of |ψ>. On the other hand, when m ≠ n, a different measurement operation on a quantum computer is required. To explain this point, the following transformation is required.
(8)
(8)
ここで、Am,n,Bm,nは次式によって表される。 Here, A m,n and B m,n are expressed by the following equations.
(9)
(9)
なお、Am,n,Bm,nは、射影測定によって量子コンピュータを用いて推定することが可能である。このため、Am,n,Bm,nと別に測定された重み|αn|2とを組み合わせることにより、αmαn *の値を計算することが可能となる。 In addition, A m,n and B m,n can be estimated by projective measurement using a quantum computer. Therefore, it is possible to calculate the value of α m α n * by combining A m,n and B m,n with the separately measured weight |α n | 2 .
一般には、αmαn *が複素位相を持つため、上記式(7)の和において、異なる項が打ち消し合ったり強め合ったりする。このため、以下では、αmαn *を「干渉重み」と称する。 In general, since α m α n * has a complex phase, different terms cancel or reinforce each other in the sum of the above equation (7), and therefore α m α n * is hereinafter referred to as an "interference weight."
上述のようにして得られた、|αn|2、Am,n,Bm,n、及び<m|O|n>の値を組み合わせることにより、以下の式(10)に従って期待値<ψ|O|ψ>が計算される。 By combining the values of |α n | 2 , A m,n , B m,n , and <m|O|n> obtained as described above, the expected value <ψ|O|ψ> is calculated according to the following equation (10).
(10)
(10)
なお、2N×2N個の指数的に大きな数の項を足し上げることになるため、計算コスト上の困難が生じるようにも思われる。しかしながら、量子化学計算等の解きたい問題の種類によっては、経験的に足し上げるべき項の数は大きく減少することがわかる。 It may seem that there may be a problem in terms of computational cost because an exponentially large number of terms, 2 N × 2 N , are to be added up. However, it is empirically known that the number of terms to be added up can be greatly reduced depending on the type of problem to be solved, such as quantum chemical calculations.
例えば、量子化学の問題では、基底状態又は低エネルギー励起状態等のようなハミルトニアンの固有状態での期待値計算を行う場合が多く、そういった状態は多くの系においてHartree-Fock状態に相当する確率振幅が主要であり、他の成分が相対的に小さいことが知られている。 For example, in quantum chemistry problems, expectation value calculations are often performed for eigenstates of the Hamiltonian, such as the ground state or low-energy excited states, and it is known that in many systems, the probability amplitude corresponding to the Hartree-Fock state dominates for such states, with other components being relatively small.
また、対象とする系における保存量の存在(例えば、電子数の保存及びスピンの保存等)等から固有状態は基底全体のうち限られた部分にしか有限の振幅を持たないことが数理的にわかっている。このため、重み|αn|2はnに関して特定の要素でのみ有意な値を持ち、その他の要素では零又は量子コンピュータでの期待値の推定において統計的に無視できるほど小さい値である。そのため、m,nについての和を取る際には、はじめからそのような基底は無視することができる。したがって、無視できない重みを与えるような、ある特定の計算基底のペア(m,n)に対してのみ、遷移行列要素<m|O|n>を評価すれば良いことになる。 In addition, it is mathematically known that the eigenstate has a finite amplitude only in a limited part of the entire basis due to the existence of conserved quantities in the target system (e.g., the conservation of the number of electrons and the conservation of spin, etc.). For this reason, the weight |α n | 2 has a significant value only for certain elements with respect to n, and for other elements, it is zero or a value so small that it can be statistically ignored in estimating the expected value in a quantum computer. Therefore, when taking the sum for m and n, such a basis can be ignored from the beginning. Therefore, it is sufficient to evaluate the transition matrix element <m|O|n> only for a certain pair of calculation bases (m, n) that gives a weight that cannot be ignored.
また、そのようなペア(m,n)に対して干渉重みαmαn *を求める際、さらにその一部の(m,n)に対してのAm,n,Bm,nを測定すれば十分であることがわかる。 Furthermore, when determining the interference weight α m α n * for such a pair (m, n), it is sufficient to further measure A m,n and B m,n for a portion of the (m, n) pairs.
このことを確認するために、任意のl(ただし、αl≠0)に対して成り立つ以下の恒等式(11)を考える。 To see this, consider the following identity (11), which holds for any l (with α l ≠ 0):
(11)
(11)
上記式(11)において、例えばl=0とすると、干渉重みα0αn *及び重み|α0|2の値が既知であれば、他の全ての干渉重みαmαn *の値を上記式(11)から得ることができる。したがって、α0αn *の値を上記式(8)により求めるために、A0,n,B0,nの測定さえしておけば、それ以外のAm,n,Bm,nについての測定は不要であることがわかる。 In the above formula (11), for example, if l=0, then if the values of the interference weight α 0 α n * and the weight |α 0 | 2 are known, the values of all other interference weights α m α n * can be obtained from the above formula (11). Therefore, in order to obtain the value of α 0 α n * using the above formula (8), it is clear that as long as A 0,n and B 0,n are measured, there is no need to measure the other A m,n and B m,n .
上述した点を纏めると、本実施形態では、状態|ψ>の確率振幅αn(n=0,1,・・・,2N-1)を用いて、オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>を次式によって表す。 To summarize the above points, in this embodiment, the expected value <ψ|O|ψ> of the observable O is expressed by the following equation using the probability amplitude α n (n=0, 1, . . . , 2 N −1) of the state |ψ>.
そして、本実施形態では、量子コンピュータによって測定された重み|αn|2及び干渉重みαmαn *と、古典コンピュータによって計算された<m|O|n>とを組み合わせることにより、オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>を近似計算する。 In this embodiment, the expectation value <ψ|O|ψ> of the observable O is approximately calculated by combining the weight |α n | 2 and the interference weight α m α n * measured by the quantum computer with <m|O|n> calculated by the classical computer.
なお、その際には、本方法の重要な応用対象である量子化学の問題においては、多くの興味ある場合において状態|ψ>が計算基底|n>に関して偏りを持つため、重み|αn|2がある限られたnについてのみゼロではない有意な値を取るという洞察を行い、上記式(10)の和で足し上げるべき項の数が大きく減少することを特定した。 In addition, at that time, the inventors made the insight that in quantum chemistry problems, which are important applications of this method, in many interesting cases, the state |ψ〉 has a bias with respect to the computational basis |n〉, and therefore the weight |α n | 2 takes a significant non-zero value only for a limited number of n, and specified that the number of terms to be added in the sum of the above equation (10) is greatly reduced.
[提案方法の従来方法に対する優位性] [Advantages of the proposed method over conventional methods]
本実施形態では、オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>を測定する際に、オブザーバブルOをパウリ演算子Piで展開して測定することに代えて、状態|ψ>の計算基底|n>(n=0,1,・・・,2N-1)での展開を行い、「多数のパウリ演算子の測定」の問題を回避した。これにより、本実施形態ではA0,n,B0,n等の測定が必要となるものの、量子化学計算でしばしば現れる偏った状態|ψ>に対しては、重み|αn|2が有意な値を取るようなある特定(以下R個とする)の計算基底|n>だけを考慮すれば良いため、測定すべき量の数が比較的少数で済む。 In this embodiment, when measuring the expectation value <ψ|O|ψ> of the observable O, instead of expanding the observable O with the Pauli operator P i and measuring it, the state |ψ> is expanded in the computational basis |n> (n=0, 1, ..., 2 N -1) to avoid the problem of "measurement of a large number of Pauli operators". As a result, although measurements of A 0,n , B 0,n, etc. are required in this embodiment, for biased states |ψ> that often appear in quantum chemical calculations, it is only necessary to consider certain (hereinafter, R) computational bases |n> in which the weight |α n | 2 takes a significant value, and therefore the number of quantities to be measured can be relatively small.
このため、本実施形態の方法を用いる場合、量子コンピュータ上での測定は以下のようになる。 Therefore, when using the method of this embodiment, the measurement on the quantum computer is as follows:
(1)状態|ψ>の計算基底|n>でのサンプリングを繰り返すことにより、重み|αn|2を測定する。
(2)ある特定のnに対してA0,nを測定する。nに応じてR-1種類の測定が必要となる。
(3)ある特定のnに対してB0,nを測定する。nに応じてR-1種類の測定が必要となる。
(1) Calculation of state |ψ〉 Measure weights |α n | 2 by repeatedly sampling in basis |n〉.
(2) Measure A 0,n for a specific n. Depending on n, R-1 measurements are required.
(3) Measure B 0,n for a specific n. Depending on n, R-1 measurements are required.
このため、本実施形態の方法によれば、合計で1+2(R-1)種類の測定が必要となる。これに対し、従来手法では、オブザーバブルOの展開において出現するパウリ演算子の個数に対応してM種類の測定が必要である。量子化学のハミルトニアンを考えるとパウリ演算子の数がM=O(N4)と非常に大きいのに対して、本実施形態の方法ではRがこれよりもはるかに小さいことが経験的にわかっているため、必要な測定の種類も大きく減少することになる。したがって、ハミルトニアンHの期待値<ψ|H|ψ>を測定する際には、統計揺らぎを十分小さくするために必要なショット数の総和も大きく減少させることができる。 Therefore, according to the method of this embodiment, a total of 1+2(R-1) types of measurements are required. In contrast, in the conventional method, M types of measurements are required corresponding to the number of Pauli operators that appear in the expansion of the observable O. Considering the Hamiltonian of quantum chemistry, the number of Pauli operators is very large, M=O(N 4 ), whereas in the method of this embodiment, it is empirically known that R is much smaller than this, so the types of measurements required are also greatly reduced. Therefore, when measuring the expectation value <ψ|H|ψ> of the Hamiltonian H, the total number of shots required to sufficiently reduce statistical fluctuations can also be greatly reduced.
[本方法に対応するアルゴリズムの説明] [Description of the algorithm corresponding to this method]
本実施形態のハイブリッドシステム100が実行するアルゴリズムの全体の流れは以下の通りである。 The overall flow of the algorithm executed by the hybrid system 100 of this embodiment is as follows:
1.量子コンピュータ120が、N量子ビットの状態|ψ>を生成する。そして、量子コンピュータ120が、状態|ψ>を計算基底|n>でサンプリングをし、その測定値として0,1,・・・,の何れかの値を得る。量子コンピュータ120は、状態|ψ>の生成と計算基底|n>の測定とをL回繰り返すことにより、測定値の系列{x}=x(1),x(2),・・・,x(L)を得る。 1. The quantum computer 120 generates a state |ψ〉 of N quantum bits. Then, the quantum computer 120 samples the state |ψ〉 in the computational basis |n〉 and obtains one of the values 0, 1, ..., as the measurement value. The quantum computer 120 repeats the generation of the state |ψ〉 and the measurement of the computational basis |n〉 L times to obtain a sequence of measurement values {x} = x (1) , x (2) , ..., x (L) .
2.古典コンピュータ110が、測定値の系列{x}から出現頻度の高いR個の測定値を選択する。なお、古典コンピュータ110は、測定値の系列{x}から出現頻度が所定値以上であるR個の測定値を選択するようにしてもよい。次に、古典コンピュータ110が、選択したR個の測定値の各々に基づいて、出現頻度が高い順に並べた値の系列{z}=z(1),z(2),・・・,z(R)を設定する。次に、古典コンピュータ110が、{z}に含まれるR個の測定値の出現回数Tr(r=1,・・・,R)を計算する。そして、古典コンピュータ110が、以下の式(12)に従って、重み係数frを計算する。 2. The classical computer 110 selects R measurement values with a high occurrence frequency from the measurement value series {x}. Alternatively, the classical computer 110 may select R measurement values with an occurrence frequency equal to or greater than a predetermined value from the measurement value series {x}. Next, the classical computer 110 sets a sequence of values {z}=z (1) , z (2) , ..., z (R) arranged in descending order of occurrence frequency based on each of the selected R measurement values. Next, the classical computer 110 calculates the occurrence count T r (r=1, ..., R) of the R measurement values included in {z}. Then, the classical computer 110 calculates a weighting coefficient f r according to the following formula (12).
(12)
(12)
なお、以下の式に示されるように、重み係数frは、上記式(10)に現れる重み|αn|2の近似値でもある。 As shown in the following equation, the weighting coefficient f r is also an approximation of the weight |α n | 2 appearing in the above equation (10).
3.古典コンピュータ110が、{z}に基づいて、遷移行列要素<zr|O|zr’>(r=1,・・・,R;r’=1,・・・,R)を計算する。 3. The classical computer 110 computes the transition matrix elements <z r |O|z r ' >(r=1,...,R;r'=1,...,R) based on {z}.
4.量子コンピュータ120が、N量子ビットの状態|φA,r>に対する射影演算子|φA,r><φA,r|を測定することにより、射影演算子|φA,r><φA,r|の測定結果を取得する。古典コンピュータ110が、射影演算子|φA,r><φA,r|の測定結果に基づいて、射影演算子|φA,r><φA,r|の期待値Ar(r=2,・・・,R)を計算する。なお、状態|φA,r>は次式によって表される。また、各rについてL’回の測定が行われる。 4. The quantum computer 120 measures the projection operator |φ A,r > <φ A,r | for the state |φ A,r > of the N quantum bits to obtain the measurement result of the projection operator |φ A,r ><φ A, r |. The classical computer 110 calculates the expectation value A r (r =2,...,R) of the projection operator |φ A,r ><φ A,r | based on the measurement result of the projection operator |φ A ,r ><φ A,r |. The state |φ A,r > is expressed by the following formula. Also, L' measurements are performed for each r.
5.量子コンピュータ120が、N量子ビットの状態|φB,r>に対する射影演算子|φB,r><φB,r|を測定することにより、射影演算子|φB,r><φB,r|の測定結果を取得する。古典コンピュータ110が、射影演算子|φB,r><φB,r|の測定結果に基づいて、射影演算子|φB,r><φB,r|の期待値Br(r=2,・・・,R)を計算する。なお、状態|φB,r>は次式によって表される。また、各rについてL’’回の測定が行われる。 5. The quantum computer 120 measures the projection operator |φ B,r > <φ B,r | for the state |φ B,r > of the N quantum bits to obtain the measurement result of the projection operator |φ B,r ><φ B,r |. The classical computer 110 calculates the expectation value B r (r =2 , ..., R ) of the projection operator |φ B,r ><φ B,r | based on the measurement result of the projection operator |φ B ,r ><φ B,r |. Note that the state |φ B,r > is expressed by the following formula. Also, L'' measurements are performed for each r.
6.古典コンピュータ110が、重み係数fr(r=1,・・・,R)と、期待値Ar(r=2,・・・,R)と、期待値Br(r=2,・・・,R)とを組み合わせることにより、以下の式(13)に従って、干渉重みgrを近似計算する。 6. The classical computer 110 approximates the interference weights g r by combining the weighting coefficients f r (r=1,...,R), the expectation values A r (r=2,...,R), and the expectation values B r ( r =2,...,R) according to the following equation (13):
(13)
(13)
なお、干渉重みgrは次式によっても表される。 The interference weight g r can also be expressed by the following equation.
古典コンピュータ110が、上記式(11)から得られる次式に従って、干渉重みの他の成分αzrαzr’ *を計算する。 The classical computer 110 calculates the other components of the interference weights α zr α zr′ * according to the following equation, which is derived from equation (11) above:
7.古典コンピュータ110が、干渉重みgrに相当するαz1αzr *と、干渉重みの他の成分αzrαzr’ *と、<zr|O|zr’>とに基づいて、以下の式(14)に従って、オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>を近似計算する。 7. The classical computer 110 approximately calculates the expectation value < ψ |O| ψ > of the observable O based on α z1 α zr * corresponding to the interference weight g r , other components of the interference weight α zr α zr' * , and <z r |O|z r'> according to the following equation (14).
(14)
(14)
[量子コンピュータを用いて射影演算子の期待値を推定する方法] [Method of estimating the expectation value of a projection operator using a quantum computer]
次に、量子コンピュータを用いて射影演算子の期待値を推定する方法について説明する。射影演算子とは、P=P2を満たすような線形演算子である。特に、PがP=|φ><φ|であるとき、Pを状態|φ>に対する射影演算子であるという。射影演算子Pの状態|ψ>での期待値は、以下の式(15)によって表される。 Next, a method for estimating the expectation value of a projection operator using a quantum computer will be described. A projection operator is a linear operator that satisfies P = P2 . In particular, when P = |φ〉 < φ|, P is said to be a projection operator for state |φ〉. The expectation value of the projection operator P in state |ψ〉 is expressed by the following formula (15).
(15)
(15)
以下では、上記式(15)における確率pを推定する方法を説明する。
まず、状態|φ>を計算基底の単一成分で表される状態|n>へ変換する量子回路Uを用意する。なお、N量子ビットの任意の量子状態|Φ>は計算基底|k>(k=0,1,・・・,2N-1)を用いて、以下の式(16)によって表される。
In the following, a method for estimating the probability p in the above equation (15) will be described.
First, a quantum circuit U is prepared that converts a state |φ〉 into a state |n〉 represented by a single component of a computational basis. Note that an arbitrary quantum state |Φ〉 of N quantum bits is expressed by the following formula (16) using a computational basis |k〉 (k=0, 1, ..., 2 N -1).
(16)
(16)
ここで、|φ>が計算基底の単一の成分のみで表せるとは、上記式(16)におけるα0,α1,・・・のうち1つだけが1であり、他は全て0という意味である。状態|φ>と状態|n>と量子回路Uとは、以下の式(17)によって表される。 Here, |φ〉 can be expressed by only a single component of the computational basis, meaning that only one of α 0 , α 1 , ... in the above formula (16) is 1, and the others are all 0. The state |φ〉, the state |n〉, and the quantum circuit U are expressed by the following formula (17).
(17)
(17)
このような量子回路Uは存在し得る。仮に状態|φ>がはじめから|n>のように計算基底の単一成分で表されている場合には変換の必要が無く、何もしない回路(U=I)を考えればよい。確率pの定義である上記式(15)と上記式(17)とを組み合わせることにより、以下の式(18)が得られる。 Such a quantum circuit U can exist. If the state |φ〉 is originally represented by a single component of the computational basis, such as |n〉, then there is no need for conversion, and it is sufficient to consider a circuit that does nothing (U = I). By combining the above formula (15), which defines the probability p, with the above formula (17), we obtain the following formula (18).
(18)
(18)
計算基底が量子ビットごとのZ演算子の同時固有状態であることと、量子論の原理(例えば、Bornの規則)とにより、確率pは状態U|ψ>上で量子ビットをZ基底で測定したとき測定結果nとなる確率であることがわかる。 Because the computational basis is the simultaneous eigenstate of the Z operator for each quantum bit, and because of the principles of quantum mechanics (e.g., Born's rule), we can see that the probability p is the probability that the measurement result n will be obtained when the quantum bit is measured in the Z basis on the state U | ψ 〉.
この確率の推定は次のように行われる。まず、状態|ψ>が生成される。そして、その状態に量子回路Uを作用させる。最後に、Z基底よる測定が行われ測定結果が得られる。ここまでを一連の処理とし、この処理をl回繰り返すことにより測定結果が収集される。そして、l個の測定のうち結果nを得た回数l’が求められ、その比l’/lがpの推定値とされる。なお、計算基底の2成分のみで表される状態|φ>は、以下の式(19)によって表される。 This probability is estimated as follows. First, the state |ψ〉 is generated. Then, the quantum circuit U is applied to this state. Finally, a measurement is performed using the Z basis to obtain the measurement result. This is a series of processes, and the measurement results are collected by repeating this process l times. Then, the number l' of times that result n was obtained out of l measurements is found, and the ratio l'/l is taken as the estimate of p. The state |φ〉, which is represented by only two components of the computational basis, is expressed by the following equation (19).
(19)
(19)
本実施形態の方法においては、上記式(19)における状態|φ>に対する射影演算子の期待値を推定する場面が多い。そのような場合には、以下の式(20)で表される量子回路Uを用意するのが好ましい。 In the method of this embodiment, there are many cases where the expected value of the projection operator for the state |φ〉 in the above formula (19) is estimated. In such cases, it is preferable to prepare a quantum circuit U expressed by the following formula (20).
(20)
(20)
上記式(20)が表すような作用をする量子回路の構成法は一意ではないが、様々な手法によって構成することが可能である。 The construction of a quantum circuit that operates as expressed by the above formula (20) is not unique, but it can be constructed using various techniques.
[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 according to the embodiment]
次に、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3及び図4に示される各処理が実行される。 Next, the specific operation of the hybrid system 100 of the embodiment will be described. Each device of the hybrid system 100 executes the processes shown in Figures 3 and 4.
ハイブリッドシステム100は、以下の式(A1)によって表されるオブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>を、以下の式(A2)を用いて近似計算する。 The hybrid system 100 approximates the expectation value <ψ|O|ψ> of the observable O expressed by the following equation (A1) using the following equation (A2).
(A1)
(A2)
(A1)
(A2)
なお、N量子ビットの状態|ψ>は、以下の式(A3)に従って、複数の展開係数αnと複数の計算基底|n>(n=0,1,・・・,2N-1)とによって表現される。具体的には、複数の計算基底|n>の線形結合によってN量子ビットの状態|ψ>が表現される。 The state |ψ> of N quantum bits is expressed by a plurality of expansion coefficients α n and a plurality of computational bases |n> (n=0, 1, ..., 2 N -1) according to the following formula (A3). Specifically, the state |ψ> of N quantum bits is expressed by a linear combination of a plurality of computational bases |n>.
(A3)
(A3)
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である計算対象情報と、計算方法に関する情報である計算方法情報とを、古典コンピュータ110へ送信する。 First, in step S100, the user terminal 130 transmits to the classical computer 110 the computation target information, which is information about the computation target, and the computation method information, which is information about the computation method, input by the user.
計算対象情報には、例えば、計算対象の物理量に対応するオブザーバブルOに関する情報等が含まれている。計算方法情報には、例えば、量子回路に関する情報、及び測定ショット数に関する情報等が含まれている。なお、量子回路に関する情報には、後述する重み係数frを計算するために用いられる、状態|ψ>を生成する量子回路Ufの構造に関する情報、後述する干渉重み係数grを計算するために用いられる量子回路Ugの構造に関する情報等が含まれている。また、測定ショット数に関する情報には、後述する計算基底|n>の測定回数を表すLと、後述する射影演算子の期待値を計算するための測定回数を表すL’及びL’’とが含まれている。 The calculation target information includes, for example, information on an observable O corresponding to a physical quantity of the calculation target. The calculation method information includes, for example, information on a quantum circuit and information on the number of measurement shots. The information on the quantum circuit includes information on the structure of a quantum circuit U f that generates a state |ψ〉, which is used to calculate a weighting coefficient f r described later, and information on the structure of a quantum circuit U g that is used to calculate an interference weighting coefficient g r described later. The information on the number of measurement shots includes L, which represents the number of measurements of a calculation basis |n〉, which will be described later, and L' and L'', which represent the number of measurements for calculating an expectation value of a projection operator, which will be described later.
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及び計算方法情報を受信する。そして、ステップS102において、古典コンピュータ110は、計算方法情報のうちの量子回路Ufの構造に関する情報に基づいて、量子回路Ufの構造を決定する。また、ステップS102において、古典コンピュータ110は、計算方法情報のうちの計算基底|n>の測定回数を表すLに基づいて、測定ショット数を決定する。 Next, in step S102, the classical computer 110 receives the calculation target information and the calculation method information transmitted from the user terminal 130. Then, in step S102, the classical computer 110 determines the structure of the quantum circuit Uf based on the information on the structure of the quantum circuit Uf in the calculation method information. Also, in step S102, the classical computer 110 determines the number of measurement shots based on L representing the number of measurements of the calculation basis |n> in the calculation method information.
ステップS104において、古典コンピュータ110は、量子計算に必要な各種情報を量子コンピュータ120へ送信する。具体的には、古典コンピュータ110は、ステップS102で決定された量子回路Ufの構造及び測定ショット数と、ステップS102で受信した計算方法情報及び計算対象情報とを、量子コンピュータ120へ送信する。 In step S104, the classical computer 110 transmits various information necessary for quantum computation to the quantum computer 120. Specifically, the classical computer 110 transmits to the quantum computer 120 the structure and the number of measurement shots of the quantum circuit Uf determined in step S102, and the computation method information and computation target information received in step S102.
ステップS106において、制御装置121は、ステップS104で古典コンピュータ110から送信された各種情報を受信する。 In step S106, the control device 121 receives various information transmitted from the classical computer 110 in step S104.
ステップS108において、制御装置121は、ステップS106で受信した各種情報に応じた量子計算を量子コンピュータ120に実行させる。量子コンピュータ120は、制御装置121による制御に応じて、上記式(A3)の計算基底|n>の測定をL回繰り返すことにより、計算基底|n>の測定値の系列{x}=x(1),x(2),・・・,x(L)を取得する。 In step S108, the control device 121 causes the quantum computer 120 to execute quantum computation according to the various information received in step S106. The quantum computer 120, under the control of the control device 121, repeats the measurement of the computational basis |n> of the above formula (A3) L times to obtain a series of measurement values of the computational basis |n> {x}=x (1) , x (2) , ..., x (L) of the computational basis |n>.
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、状態|ψ>を生成する量子回路Ufを実行する。量子回路Uf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、測定により得られた測定結果を出力する。 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 response to 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 the quantum circuit Uf that generates the state |ψ〉. The gate operation of each quantum gate included in the quantum circuit Uf 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 measurement result obtained by the measurement.
ステップS110において、制御装置121は、ステップS108で得られた測定結果を、古典コンピュータ110へ送信する。 In step S110, the control device 121 transmits the measurement results obtained in step S108 to the classical computer 110.
ステップS112において、古典コンピュータ110は、ステップS110で制御装置121から送信された測定結果を受信する。次に、古典コンピュータ110は、測定結果である計算基底|n>の測定値の系列{x}=x(1),x(2),・・・,x(L)に基づいて、測定値の系列{x}のうちの、出現回数が多いR個の測定値又は出現回数が所定値以上であるR個の測定値を選択する。 In step S112, the classical computer 110 receives the measurement results transmitted from the control device 121 in step S110. Next, the classical computer 110 selects R measurement values that occur frequently or R measurement values whose occurrence count is equal to or greater than a predetermined value from the measurement value series {x}, based on the measurement value series {x}=x (1) , x (2) , ..., x (L) of the computational basis |n>, which is the measurement result.
また、ステップS112において、古典コンピュータ110は、R個の測定値の各々を高い順に並べた値{z}=z(1),z(2),・・・,z(R)を設定する。次に、古典コンピュータ110は、{z}に含まれるR個の測定値の出現回数Tr(r=1,・・・,R)を計算する。そして、古典コンピュータ110は、以下の式(A4)に従って、上記式(A1)の|αzr|2を近似した値である重み係数frを計算する。 In step S112, the classical computer 110 sets the R measured values in ascending order as {z}=z (1) , z (2) , ..., z (R) . Next, the classical computer 110 calculates the number of occurrences T r (r=1, ..., R) of the R measured values included in {z}. Then, the classical computer 110 calculates a weighting coefficient f r , which is an approximation of |α zr | 2 in the above formula (A1), according to the following formula (A4).
(A4)
(A4)
ステップS114において、古典コンピュータ110は、ステップS112で設定された{z}に基づいて、上記式(A2)の、計算基底|zr>と計算基底|zr’>との組み合わせ毎の複数の遷移行列要素<zr|O|zr’>(r=1,・・・,R;r’=1,・・・,R)を計算する。 In step S114, the classical computer 110 calculates multiple transition matrix elements <zr|O| zr '> ( r =1, ..., R; r'=1, ..., R) for each combination of the computational basis | zr > and the computational basis |zr ' > in the above formula (A2) based on {z} set in step S112.
ステップS116において、古典コンピュータ110は、計算方法情報のうちの量子回路Ugの構造に関する情報に基づいて、量子回路Ugの構造を決定する。また、ステップS116において、古典コンピュータ110は、計算方法情報のうちの射影演算子の期待値を計算するための測定回数を表すL’及びL’’に基づいて、測定ショット数を決定する。 In step S116, the classical computer 110 determines the structure of the quantum circuit Ug based on information on the structure of the quantum circuit Ug in the calculation method information. Also, in step S116, the classical computer 110 determines the number of measurement shots based on L' and L'' that represent the number of measurements for calculating the expected value of the projection operator in the calculation method information.
図4に示すステップS118において、古典コンピュータ110は、量子計算に必要な各種情報を量子コンピュータ120へ送信する。具体的には、古典コンピュータ110は、ステップS116で決定された量子回路Ugの構造及び測定ショット数と、N量子ビットの状態|φA,r>に対する射影演算子|φA,r><φA,r|に関する情報、及びN量子ビットの状態|φB,r>に対する射影演算子|φB,r><φB,r|に関する情報とを、量子コンピュータ120へ送信する。なお、量子回路Ugは、射影演算子|φA,r><φA,r|の期待値と射影演算子|φB,r><φB,r|の期待値を得るための量子回路である。なお、これらの量子回路に関しては、Aに関してr毎に量子回路が必要であり、Bに関してr毎に量子回路が必要である。このため、2(R-1)種類の量子回路が必要となる。 In step S118 shown in FIG. 4, the classical computer 110 transmits various information necessary for quantum computation to the quantum computer 120. Specifically, the classical computer 110 transmits to the quantum computer 120 the structure and number of measurement shots of the quantum circuit U g determined in step S116, information on the projection operator |φ A, r ><φ A,r | for the state |φ A,r > of the N quantum bits, and information on the projection operator |φ B , r ><φ B,r | for the state |φ B,r > of the N quantum bits. Note that the quantum circuit U g is a quantum circuit for obtaining the expected value of the projection operator |φ A,r ><φ A,r | and the expected value of the projection operator |φ B,r ><φ B,r |. Note that, for these quantum circuits, a quantum circuit is required for each r for A, and a quantum circuit is required for each r for B. For this reason, 2(R-1) types of quantum circuits are required.
ステップS120において、制御装置121は、ステップS118で古典コンピュータ110から送信された各種情報を受信する。 In step S120, the control device 121 receives various information sent from the classical computer 110 in step S118.
ステップS122において、制御装置121は、ステップS120で受信した各種情報に応じた量子計算を量子コンピュータ120に実行させる。量子コンピュータ120は、制御装置121による制御に応じて、射影演算子|φA,r><φA,r|の測定をL’回繰り返すことにより、射影演算子|φA,r><φA,r|の測定結果を取得する。また、量子コンピュータ120は、制御装置121による制御に応じて、射影演算子|φB,r><φB,r|の測定をL’’回繰り返すことにより、射影演算子|φB,r><φB,r|の測定結果を取得する。 In step S122, the control device 121 causes the quantum computer 120 to execute quantum computation according to the various information received in step S120. The quantum computer 120 repeats the measurement of the projection operator |φ A,r ><φ A,r | L′ times in accordance with the control of the control device 121 to obtain the measurement result of the projection operator |φ A,r ><φ A,r |. In addition, the quantum computer 120 repeats the measurement of the projection operator |φ B,r ><φ B,r | L″ times in accordance with the control of the control device 121 to obtain the measurement result of the projection operator |φ B,r ><φ B,r |.
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、量子回路Ugを実行する。量子回路Ug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、測定により得られた測定結果を出力する。 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 response to 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 to execute the quantum circuit Ug . The gate operation of each quantum gate included in the quantum circuit Ug 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 measurement result obtained by the measurement.
ステップS124において、制御装置121は、ステップS122で得られた測定結果を、古典コンピュータ110へ送信する。 In step S124, the control device 121 transmits the measurement results obtained in step S122 to the classical computer 110.
ステップS126において、古典コンピュータ110は、ステップS124で制御装置121から送信された測定結果を受信する。次に、古典コンピュータ110は、射影演算子|φA,r><φA,r|の測定結果に基づいて、射影演算子|φA,r><φA,r|の期待値Arを計算する。また、古典コンピュータ110は、射影演算子|φB,r><φB,r|の測定結果に基づいて、射影演算子|φB,r><φB,r|の期待値Brを計算する。 In step S126, the classical computer 110 receives the measurement result transmitted from the control device 121 in step S124. Next, the classical computer 110 calculates an expected value A r of the projection operator |φ A,r ><φ A,r | based on the measurement result of the projection operator |φ A,r ><φ A,r |. In addition, the classical computer 110 calculates an expected value B r of the projection operator |φ B,r ><φ B,r | based on the measurement result of the projection operator |φ B,r ><φ B,r |.
ステップS128において、古典コンピュータ110は、ステップS112で計算された重み係数frと、ステップS126で計算された期待値Ar及び期待値Brとに基づいて、以下の式(A5)に従って、上記式(A2)のαz1αzr *に相当する干渉重みgrを近似計算する。 In step S128, the classical computer 110 approximately calculates an interference weight g r corresponding to α z1 α zr * in the above equation (A2) based on the weighting coefficient f r calculated in step S112 and the expected values A r and B r calculated in step S126 , according to the following equation (A5).
(A5)
(A5)
ステップS130において、古典コンピュータ110は、ステップS112で計算された重み係数f1と、ステップS128で計算された干渉重みgrとに基づいて、以下の式(A6)に従って、干渉重みの他の成分αzrαzr’ *を近似計算する。 In step S130, the classical computer 110 approximately calculates the other components α zr α zr' * of the interference weight based on the weighting coefficient f 1 calculated in step S112 and the interference weight g r calculated in step S128 according to the following equation ( A6 ) .
(A6)
(A6)
ステップS132において、古典コンピュータ110は、ステップS128で計算された干渉重みgrに相当するαz1αzr *と、ステップS130で計算されたαzrαzr’ *と、ステップS114で計算された<zr|O|zr’>とに基づいて、上記式(A2)に従って、オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>を近似計算する。 In step S132, the classical computer 110 approximates the expectation value <ψ|O|ψ> of the observable O according to the above equation (A2) based on α z1 α zr * corresponding to the interference weight g r calculated in step S128, α zr α zr' * calculated in step S130, and <z r |O|z r '> calculated in step S114.
ステップS134において、古典コンピュータ110は、ステップS132で得られた計算結果であるオブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>をユーザ端末130へ送信する。 In step S134, the classical computer 110 transmits the expected value <ψ|O|ψ> of the observable O, which is the calculation result obtained in step S132, to the user terminal 130.
ステップS136において、ユーザ端末130は、古典コンピュータ110から送信された計算結果を受信する。 In step S136, the user terminal 130 receives the calculation results sent from the classical computer 110.
以上説明したように、実施形態のハイブリッドシステムのうちの古典コンピュータは、複数の計算基底の線形結合によってN量子ビットの状態|ψ>が表現される場合に、量子コンピュータによって測定された複数の計算基底の各々の測定値を取得する。そして、古典コンピュータは、複数の計算基底の各々の測定値に基づいて、複数の測定値から出現回数が多いR個の測定値又は出現回数が所定値以上であるR個の測定値を選択し、選択されたR個の測定値の出現回数に基づいて、出現回数に応じたR個の計算基底|zr>(r=1,・・・,R)に対する重み係数frを計算する。そして、古典コンピュータは、重み係数frと重み係数fr’との組み合わせを重みとする、複数の遷移行列要素<zr|O|zr’>の重み付け和によって、オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>を近似計算する。これにより、量子コンピュータを用いてオブザーバブルOの期待値を効率的に得ることができる。 As described above, the classical computer in the hybrid system of the embodiment acquires the measurement values of each of the multiple computational bases measured by the quantum computer when the state |ψ> of N quantum bits is expressed by a linear combination of multiple computational bases. Then, based on the measurement values of each of the multiple computational bases, the classical computer selects R measurement values that occur frequently or R measurement values that occur more than a predetermined value from the multiple measurement values, and calculates weighting coefficients f r for R computational bases |z r > (r = 1, ..., R) according to the number of occurrences based on the number of occurrences of the selected R measurement values. Then, the classical computer approximately calculates the expected value < ψ |O|ψ> of the observable O by a weighted sum of multiple transition matrix elements <z r |O|z r' >, with the combination of the weighting coefficient f r and the weighting coefficient f r' as the weight. This makes it possible to efficiently obtain the expected value of the observable O using a quantum computer.
また、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、オブザーバブルOの期待値を効率的に得ることができる。 In addition, by appropriately dividing up the roles between classical and quantum computers, the expectation value of the observable O can be obtained efficiently.
次に、実施例について説明する。本実施例では、量子化学計算の問題を例に取り、本実施形態の手法と従来手法の数値的な比較結果を示す。具体的には、様々な分子のハミルトニアンHとその基底状態|ψ>を用いて、期待値<ψ|H|ψ>の測定における統計揺らぎの大きさを理論的に評価し(後述する手法を参照)、統計揺らぎを量子化学で要求される精度(10-3Hartree)以下にするために必要なショット数の総和を、二つの手法に対して求めた。その結果を以下の表1に示す。量子ビット数の小さなH2に対しては総ショット数をわずかに削減するが、LiHやH2Oにおいては、本手法により総ショット数が大幅に削減されることが分かる。 Next, an example will be described. In this example, a problem of quantum chemical calculation is taken as an example, and a numerical comparison result between the method of this embodiment and the conventional method is shown. Specifically, the magnitude of statistical fluctuation in the measurement of the expectation value <ψ|H|ψ> is theoretically evaluated using the Hamiltonian H of various molecules and its ground state |ψ> (see the method described later), and the total number of shots required to make the statistical fluctuation equal to or less than the accuracy required in quantum chemistry (10 −3 Hartree) was obtained for the two methods. The results are shown in Table 1 below. It can be seen that the total number of shots is slightly reduced for H 2 with a small number of quantum bits, but the total number of shots is significantly reduced for LiH and H 2 O by this method.
なお、Rは、本手法の上記式(14)の和において含まれる有意な計算基底の数であるが、具体的には、以下の不等式(21)を満たすような最小の自然数Rの値として数値的に求めた。 Note that R is the number of significant calculation bases included in the sum of the above formula (14) in this method, and specifically, it was numerically determined as the smallest natural number R that satisfies the following inequality (21).
(21)
(21)
上記式(21)に示されるようなRを用いると、本手法で求められたエネルギー期待値(EIS)は、FCI法により求められる厳密値(EFCI)を量子化学で要求される精度(両者のズレが10-3 Hartree 以下)で再現されることを確かめた。 It has been confirmed that, when R as shown in the above formula (21) is used, the energy expectation value (E IS ) calculated by this method reproduces the exact value (E FCI ) calculated by the FCI method with the accuracy required by quantum chemistry (the deviation between the two is 10 −3 Hartree or less).
上記表には、様々な分子のハミルトニアンHの基底状態|ψ>での期待値<ψ|H|ψ>の測定における統計揺らぎの大きさを10-3Hartree以下にするために必要なショット数の総和が示されている。各分子に対して、Nは量子ビット数、Mはハミルトニアンに含まれるパウリ演算子の総数である。Rは、本手法の和の上記式(14)で含めた有意な計算基底の数である。 The above table shows the sum of the number of shots required to reduce the magnitude of statistical fluctuations in the measurement of the expectation value <ψ|H|ψ> of the Hamiltonian H of various molecules to 10 −3 Hartree or less. For each molecule, N is the number of quantum bits, and M is the total number of Pauli operators included in the Hamiltonian. R is the number of significant calculation bases included in the above equation (14) of the sum of this method.
EIS-EFCIは本手法で求めたエネルギー期待値(EIS)とFCI法で求めた厳密な値(EFCI)との差(単位はHartree)である。EFCIを求めるのに量子化学計算ソフトウェアのPySCFを使用した。この計算を実施する際には既知のSTO―3G基底関数を使用した。 E IS -E FCI is the difference (unit: Hartree) between the energy expectation value (E IS ) calculated by this method and the exact value (E FCI ) calculated by the FCI method. The quantum chemistry calculation software PySCF was used to calculate E FCI . The known STO-3G basis set was used in this calculation.
[オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>の測定における統計誤差の見積もり]
オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>の測定値には、統計的な揺らぎが生じる。ここでは、ショット数に対する揺らぎの大きさの理論的な見積もりについて説明する。
[Estimation of statistical error in measuring the expectation value <ψ|O|ψ> of an observable O]
Statistical fluctuations occur in the measured value of the expectation value <ψ|O|ψ> of the observable O. Here, a theoretical estimate of the magnitude of the fluctuations with respect to the number of shots will be described.
本方式において必要となる測定は、|ψ>の|n>への射影測定L回、Ar(r=2,・・・,R)を得るためのそれぞれL’回の測定、Br(r=2,・・・,R)を得るためのそれぞれL’’回の測定である。各々の測定由来の統計誤差を定量化した後、誤差伝播公式により期待値<ψ|O|ψ>の統計誤差を導出する。 The measurements required in this method are L projection measurements of |ψ〉 onto |n〉, L′ measurements to obtain A r (r=2,...,R), and L″ measurements to obtain B r (r=2,...,R). After quantifying the statistical error from each measurement, the statistical error of the expected value <ψ|O|ψ〉 is derived using the error propagation formula.
[|ψ>の|n>への射影測定]
|ψ>を|n>(n=0,1,...,2N-1)でL回射影測定したとする。このとき、|n>がln回出現したとする。一度の測定において|n>が出現する確率は、pn=|<n|ψ>|2である。各nの出現回数l0,l1,...,ln_max(n_max=2N-1)を確率変数とみなすと、その確率分布は以下の多項分布で与えられる。
[Projection measurement of |ψ〉 onto |n〉]
Suppose that |ψ〉 is projected and measured L times with |n〉 (n = 0, 1, ..., 2 N -1). In this case, suppose that |n〉 appears l n times. The probability that |n〉 appears in one measurement is p n = |<n|ψ〉| 2. If the number of occurrences of each n, l 0 , l 1 , ..., l n_max (n_max = 2 N -1), is regarded as a random variable, its probability distribution is given by the following multinomial distribution.
lnは実際に観測される値であるが、これに対応する確率変数をLnと表すことにする。その期待値と分散は次式によって表される。 While ln is an actually observed value, the corresponding random variable is represented as Ln . Its expectation and variance are expressed by the following equations.
なお、Lnに関しては以下の制限がある。 Note that there are the following restrictions regarding Ln .
このため、LnとLm(n≠m)の共分散がノンゼロになる。 Therefore, the covariance of L n and L m (n≠m) is non-zero.
なお、pn=|<n|ψ>|2の推定量を次式とすると、その分散と共分散は以下の式で与えられる。 When the estimated quantity of p n =|<n|ψ>| 2 is expressed by the following equation, its variance and covariance are given by the following equations.
観測された|n>の出現回数lnを用いることにより、pnの推定値としてpn=ln/Lが得られるが、その標準偏差は以下で与えられる。 Using the observed number of occurrences of |n>, l n , we obtain an estimate of p n , p n =l n /L, whose standard deviation is given by:
上述したように、以下の式を導入したが、これは以下のpnの近似を与える。 As mentioned above, the following equation was introduced, which gives an approximation of p n as follows:
したがって、frの統計誤差を以下で近似することができる。 Therefore, the statistical error of f r can be approximated by:
(22)
(22)
また、共分散についても同様に、以下で近似することができる。 The covariance can also be approximated similarly as follows:
(23)
(23)
(ArとBrの測定)
まず、以下の測定について考える。
(Measurement of Ar and B r )
First, consider the following measurement:
各rについて、状態|ψ>のとある基底(およびこれと正規直交な基底のセット)での射影測定を繰り返すことによりArを推定することができる。なお、状態|ψ>のとある基底というのは、次式によって表される。 For each r, A r can be estimated by repeating the projection measurement in a basis of state |ψ〉 (and a set of orthonormal bases thereto), where the basis of state |ψ〉 is expressed by the following equation:
各々の測定結果は、上記基底が出るかそれ以外かの二択であるため、上記基底が出現する回数は二項分布により記述される。L’回の測定が行われ、上記基底がl’回出現したとすると、Arの推定値はAr=l’/L’で与えられる。また、その標準偏差は、次式によって表される。 Since each measurement result is either the above-mentioned basis or something else, the number of times the above-mentioned basis appears is described by a binomial distribution. If L' measurements are made and the above-mentioned basis appears l' times, the estimate of A r is given by A r = l'/L'. Its standard deviation is expressed by the following formula:
(24)
(24)
各rについて独立な測定を行う必要があるため、共分散はゼロである。次式によって表されるBrに対しても同様に測定および推定を行うことができる。 Since independent measurements must be made for each r, the covariance is zero. Similar measurements and estimates can be made for B r , which is given by:
各rについてL’’回測定を行ったとすると、Brの標準偏差は次式によって表される。 If measurements are taken L'' times for each r, the standard deviation of B r is expressed by the following formula:
(25)
(25)
[<O>の統計誤差]
上記式(14)により以下の期待値<O>の推定量を構成したが、この量は測定量fr(r=1,...,R)、Ar、Br(r=2,...,R)の関数とみなすこともできる。
[Statistical error of <O>]
The following estimator of the expectation value <O> has been constructed using the above equation (14), but this quantity can also be regarded as a function of the measurements fr (r=1, . . . , R), A r , and B r (r=2, . . . , R).
したがって、誤差伝搬の公式を適用することにより、<O>の統計誤差σ<O>を以下のように見積もることができる。 Therefore, by applying the error propagation formula, the statistical error σ <O> of <O> can be estimated as follows:
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.
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。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. 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 then inputs 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、量子コンピュータ120が量子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、量子コンピュータの挙動を模擬する古典コンピュータによって量子計算が実行されてもよい。 In the above embodiment, the quantum computer 120 performs quantum computation, but the present invention is not limited to this. For example, quantum computation may be performed by a classical computer that mimics the behavior of a quantum computer.
また、上記実施形態において、量子コンピュータ120が実行する処理を古典コンピュータ110が実行するようにしてもよい。または、上記実施形態において、古典コンピュータ110が実行する処理を量子コンピュータ120が実行するようにしてもよい。例えば、上記実施形態においては、古典コンピュータ110が、計算基底|zr>と計算基底|zr’>との組み合わせ毎に複数の遷移行列要素<zr|O|zr’>(r=1,・・・,R;r’=1,・・・,R)を計算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、量子コンピュータ120が複数の遷移行列要素<zr|O|zr’>(r=1,・・・,R;r’=1,・・・,R)を計算するようにしてもよい。 In addition, in the above embodiment, the classical computer 110 may execute the process executed by the quantum computer 120. Alternatively, in the above embodiment, the quantum computer 120 may execute the process executed by the classical computer 110. For example, in the above embodiment, the classical computer 110 calculates a plurality of transition matrix elements < zr |O| zr ' >(r=1,...,R;r'=1,...,R) for each combination of the computational base | zr > and the computational base |zr'>, but this is not limited to this. For example, the quantum computer 120 may calculate a plurality of transition matrix elements < zr |O|zr ' >(r=1,...,R;r'=1,...,R).
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 unnecessary to transmit quantum computing information from the classical computer 110 to the quantum computer 120 and to transmit measurement results from the quantum computer 120 to the classical computer 110. In this case, it is also conceivable that the control device 121 of the quantum computer 120 will take on 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 be taken into consideration. As an example, the statement "do b if a" does not necessarily mean "always do b if a" 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場合には、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 embodiments, when expressions such as "optimize" or "optimized parameters" are used, 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。 Furthermore, 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.
また、本実施形態のハイブリッドシステムの各構成要素は、単一のコンピュータ又はサーバによって実現しなければならないものではなく、ネットワークによって接続された複数のコンピュータに分散して実現されてもよい。 Furthermore, each component of the hybrid system of this embodiment does not have to be realized by a single computer or server, but may be realized in a distributed manner across multiple computers connected by a network.
例えば、上記実施形態の古典コンピュータが実行する処理は、ネットワークによって接続された複数の古典コンピュータが分散して処理するようにしてもよい。または、例えば、上記各実施形態の量子コンピュータが実行する処理は、ネットワークによって接続された複数の量子コンピュータが分散して処理するようにしてもよい。この場合には、少なくとも1以上の古典コンピュータと少なくとも1以上の量子コンピュータとによってハイブリッドシステムが構成される。 For example, the processing performed by the classical computer in the above embodiments may be distributed among multiple classical computers connected by a network. Alternatively, for example, the processing performed by the quantum computer in each of the above embodiments may be distributed among multiple quantum computers connected by a network. In this case, a hybrid system is formed by at least one classical computer and at least one quantum computer.
例えば、複数の古典コンピュータと複数の量子コンピュータとによってハイブリッドシステムが構成され、複数の計算基底の線形結合によってN量子ビットの状態|ψ>が表現される場合には、複数の量子コンピュータのうちの1以上の量子コンピュータが、複数の計算基底の各々を測定することにより、複数の計算基底の測定値を取得する。そして、複数の古典コンピュータのうちの1以上の古典コンピュータが、量子コンピュータによって測定された複数の計算基底の測定値を取得する。次に、複数の古典コンピュータのうちの1以上の古典コンピュータが、複数の計算基底の各々の測定値に基づいて、複数の測定値から出現回数が多いR個の測定値又は出現回数が所定値以上であるR個の測定値を選択し、選択されたR個の測定値の出現回数に基づいて、出現回数に応じたR個の計算基底|zr>(r=1,・・・,R)に対する重み係数frを計算する。次に、複数の古典コンピュータのうちの1以上の古典コンピュータ又は複数の量子コンピュータのうちの1以上の量子コンピュータが、計算基底|zr>と計算基底|zr’>との組み合わせ毎に複数の遷移行列要素<zr|O|zr’>を計算する。そして、複数の古典コンピュータのうちの1以上の古典コンピュータが、重み係数frと重み係数fr’との組み合わせを重みとする、複数の遷移行列要素<zr|O|zr’>の重み付け和によって、オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>を近似計算する。 For example, when a hybrid system is configured by a plurality of classical computers and a plurality of quantum computers, and a state |ψ> of N quantum bits is expressed by a linear combination of a plurality of computational bases, one or more quantum computers among the plurality of quantum computers measure each of the plurality of computational bases to obtain the measurement values of the plurality of computational bases. Then, one or more classical computers among the plurality of classical computers obtain the measurement values of the plurality of computational bases measured by the quantum computer. Next, based on the measurement values of each of the plurality of computational bases, one or more classical computers among the plurality of classical computers select R measurement values that occur frequently or R measurement values that occur a predetermined value or more from the plurality of measurement values, and calculate a weighting factor f r for R computational bases |z r > (r = 1, ..., R) according to the number of occurrences based on the number of occurrences of the selected R measurement values. Next, one or more classical computers among the plurality of classical computers or one or more quantum computers among the plurality of quantum computers calculate a plurality of transition matrix elements <z r |O|z r ' > for each combination of computational base |z r > and computational base |z r ' >. Then, one or more of the multiple classical computers approximately calculates the expectation value <ψ|O|ψ> of the observable O by a weighted sum of multiple transition matrix elements < zr |O|zr ' >, where the combination of weighting coefficients fr and fr ' is used as weights.
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 (8)
複数の計算基底の線形結合によってN量子ビットの状態|ψ>が表現される場合に、
量子コンピュータによって測定された複数の計算基底の各々の測定値を取得し、
複数の計算基底の各々の測定値に基づいて、複数の測定値から出現回数が多いR個の測定値又は出現回数が所定値以上であるR個の測定値を選択し、選択されたR個の測定値の出現回数に基づいて、出現回数に応じたR個の計算基底|zr>(r=1,・・・,R)に対する重み係数frを計算し、
重み係数frと重み係数fr’との組み合わせを重みとする、複数の遷移行列要素<zr|O|zr’>の重み付け和によって、オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>を近似計算する、
処理を古典コンピュータが実行する量子情報処理方法。 A quantum information processing method executed by a classical computer in a hybrid system including a classical computer and a quantum computer,
When the state of N qubits |ψ〉 is expressed by a linear combination of multiple computational bases,
Obtaining measurements of each of a plurality of computational bases measured by the quantum computer;
Based on the measurement values of each of the multiple calculation bases, R measurement values that occur frequently or R measurement values whose occurrence count is equal to or greater than a predetermined value are selected from the multiple measurement values, and based on the occurrence counts of the selected R measurement values, weighting coefficients f r for the R calculation bases |z r > (r = 1, ..., R) corresponding to the occurrence counts are calculated;
The expectation value <ψ|O|ψ> of the observable O is approximately calculated by a weighted sum of a plurality of transition matrix elements <z r |O|z r′ >, where the combination of the weighting coefficient f r and the weighting coefficient f r′ is used as the weight.
A quantum information processing method in which the processing is carried out by a classical computer.
前記期待値<ψ|O|ψ>を近似計算する際に、R個の計算基底|zr>(r=1,・・・,R)に対する重み係数frと、計算基底|zr>に対する展開係数αzr及び計算基底|zr’>に対する展開係数αzr’に基づき計算されるαzrα* zr’と、複数の遷移行列要素<zr|O|zr’>とに基づいて、以下の式(A1)に従って、オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>を近似計算する、
請求項1に記載の量子情報処理方法。
(A1) The state |ψ〉 of the N quantum bits is expressed by a linear combination of a plurality of computational bases with a plurality of expansion coefficients α n (n=0, 1, . . . , 2 N −1) for each of the plurality of computational bases, the plurality of computational bases being weighted ;
When approximately calculating the expectation value <ψ|O|ψ>, an expectation value <ψ| O |ψ> of an observable O is approximately calculated according to the following formula (A1) based on a weighting coefficient f r for R calculation bases | z r > (r=1, . . . , R), an expansion coefficient α zr for the calculation base | z r > and an expansion coefficient α zr' for the calculation base |z r' >, and a plurality of transition matrix elements <z r |O|z r'>.
2. The quantum information processing method according to claim 1.
(A1)
複数の計算基底の線形結合によってN量子ビットの状態|ψ>が表現される場合に、
量子コンピュータが、複数の計算基底の各々を測定することにより、複数の計算基底の測定値を取得し、
古典コンピュータが、量子コンピュータによって測定された複数の計算基底の測定値を取得し、
古典コンピュータが、複数の計算基底の各々の測定値に基づいて、複数の測定値から出現回数が多いR個の測定値又は出現回数が所定値以上であるR個の測定値を選択し、選択されたR個の測定値の出現回数に基づいて、出現回数に応じたR個の計算基底|zr>(r=1,・・・,R)に対する重み係数frを計算し、
古典コンピュータ又は量子コンピュータが、計算基底|zr>と計算基底|zr’>との組み合わせ毎に複数の遷移行列要素<zr|O|zr’>を計算し、
古典コンピュータが、重み係数frと重み係数fr’との組み合わせを重みとする、複数の遷移行列要素<zr|O|zr’>の重み付け和によって、オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>を近似計算する、
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:
When the state of N qubits |ψ〉 is expressed by a linear combination of multiple computational bases,
A quantum computer measures each of a plurality of computational bases to obtain measurement values of the plurality of computational bases;
A classical computer obtains measurements of the multiple computational bases measured by the quantum computer;
a classical computer selects, from the plurality of measurement values, R measurement values that occur frequently or R measurement values whose occurrence count is equal to or greater than a predetermined value, based on the measurement values of each of the plurality of calculation bases, and calculates weighting coefficients f r for the R calculation bases |z r > (r = 1, ..., R) according to the occurrence count, based on the occurrence counts of the selected R measurement values;
A classical computer or a quantum computer calculates a plurality of transition matrix elements <z r |O|z r ' > for each combination of a computational basis |z r > and a computational basis |z r ' >;
A classical computer approximately calculates an expectation value <ψ|O|ψ> of an observable O by a weighted sum of a plurality of transition matrix elements <z r |O|z r' >, where the weights are combinations of weighting coefficients f r and f r'.
Quantum information processing methods.
量子コンピュータが、N量子ビットの状態|ψ>を、以下の式(A3)に従って複数の展開係数αnと複数の計算基底|n>(n=0,1,・・・,2N-1)とによって表現する際の前記計算基底|n>の測定をL回繰り返すことにより、前記計算基底|n>の測定値の系列{x}=x(1),x(2),・・・,x(L)を取得し、
古典コンピュータが、前記測定値の系列{x}に基づいて、前記測定値の系列{x}のうちの、出現回数が多いR個の前記測定値又は出現回数が所定値以上であるR個の前記測定値を選択し、R個の前記測定値の各々を高い順に並べた値{z}=z(1),z(2),・・・,z(R)を設定し、{z}に含まれる前記R個の測定値の出現回数Tr(r=1,・・・,R)を計算し、以下の式(A4)に従って、|αzr|2の近似値である重み係数frを計算し、
古典コンピュータ又は量子コンピュータが、前記{z}に基づいて、以下の式(A1)の遷移行列要素<zr|O|zr’>(r=1,・・・,R;r’=1,・・・,R)を計算し、
量子コンピュータが、N量子ビットの状態|φA,r>に対する射影演算子|φA,r><φA,r|を測定することにより、前記射影演算子|φA,r><φA,r|の測定結果を取得し、N量子ビットの状態|φB,r>に対する射影演算子|φB,r><φB,r|を測定することにより、前記射影演算子|φB,r><φB,r|の測定結果を取得し、
古典コンピュータが、前記射影演算子|φA,r><φA,r|の測定結果に基づいて、前記射影演算子|φA,r><φA,r|の期待値Arを計算し、前記射影演算子|φB,r><φB,r|の測定結果に基づいて、前記射影演算子|φB,r><φB,r|の期待値Brを計算し、
古典コンピュータが、前記重み係数frと、前記期待値Arと、前記期待値Brとに基づいて、以下の式(A5)に従って、αz1αzr *に相当する干渉重みgrを近似計算し、前記重み係数frと、前記干渉重みgrとに基づいて、以下の式(A6)に従って、αzrαzr’ *を近似計算し、前記干渉重みgrに相当する前記αz1αzr *と、前記αzrαzr’ *と、前記遷移行列要素<zr|O|zr’>とに基づいて、以下の式(A1)に従って、前記期待値<ψ|O|ψ>を近似計算する、
請求項3に記載の量子情報処理方法。
(A1)
(A2)
(A3)
(A4)
(A5)
(A6) When the expectation value <ψ|O|ψ> of the observable O represented by the following formula (A2) is approximately calculated using the following formula (A1),
A quantum computer repeats the measurement of a computational basis |n> L times when expressing an N-qubit state |ψ> using a plurality of expansion coefficients α n and a plurality of computational bases |n> (n=0, 1, . . . , 2 N −1) according to the following formula (A3), thereby obtaining a series of measurement values of the computational basis |n>, {x}=x (1) , x (2) , . . . , x (L) ;
a classical computer selects, based on the sequence of measurement values {x}, R measurement values that occur frequently or R measurement values whose occurrence count is equal to or greater than a predetermined value from the sequence of measurement values {x}, sets values {z}=z (1) , z (2) , ..., z (R) in which the R measurement values are arranged in descending order, calculates the number of occurrences T r (r=1, ..., R) of the R measurement values included in {z}, and calculates a weighting coefficient f r that is an approximation of |α zr | 2 according to the following formula (A4):
A classical computer or a quantum computer calculates transition matrix elements < zr |O|zr ' > (r=1, ..., R; r'=1, ..., R) of the following formula (A1) based on the {z},
a quantum computer measures a projection operator |φ A, r ><φ A,r | for a state |φ A,r > of N quantum bits to obtain a measurement result of the projection operator |φ A,r ><φ A,r |, and measures a projection operator |φ B ,r ><φ B,r | for a state |φ B,r > of N quantum bits to obtain a measurement result of the projection operator |φ B,r ><φ B,r |;
a classical computer calculates an expectation value A r of the projection operator |φ A,r ><φ A,r | based on a measurement result of the projection operator |φ A,r ><φ A,r |, and calculates an expectation value B r of the projection operator |φ B,r ><φ B,r | based on a measurement result of the projection operator |φ B,r ><φ B,r |;
a classical computer approximately calculates an interference weight g r corresponding to α z1 α zr * according to the following formula (A5) based on the weighting coefficient f r , the expectation value A r , and the expectation value B r , approximately calculates α zr α zr' * according to the following formula (A6) based on the weighting coefficient f r and the interference weight g r , and approximately calculates the expectation value < ψ |O|ψ> according to the following formula (A1) based on the α z1 α zr * corresponding to the interference weight g r , the α zr α zr' * , and the transition matrix element <z r |O|z r'>;
The quantum information processing method according to claim 3.
(A1)
(A2)
(A3)
(A4)
(A5)
(A6)
複数の計算基底の線形結合によってN量子ビットの状態|ψ>が表現される場合に、
量子コンピュータによって測定された複数の計算基底の各々の測定値を取得し、
複数の計算基底の各々の測定値に基づいて、複数の測定値から出現回数が多いR個の測定値又は出現回数が所定値以上であるR個の測定値を選択し、選択されたR個の測定値の出現回数に基づいて、出現回数に応じたR個の計算基底|zr>(r=1,・・・,R)に対する重み係数frを計算し、
重み係数frと重み係数fr’との組み合わせを重みとする、複数の遷移行列要素<zr|O|zr’>の重み付け和によって、オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>を近似計算する、
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。 A quantum information processing program to be executed by a classical computer in a hybrid system including a classical computer and a quantum computer,
When the state of N qubits |ψ〉 is expressed by a linear combination of multiple computational bases,
Obtaining measurements of each of a plurality of computational bases measured by the quantum computer;
Based on the measurement values of each of the multiple calculation bases, R measurement values that occur frequently or R measurement values whose occurrence count is equal to or greater than a predetermined value are selected from the multiple measurement values, and based on the occurrence counts of the selected R measurement values, weighting coefficients f r for the R calculation bases |z r > (r = 1, ..., R) corresponding to the occurrence counts are calculated;
The expectation value <ψ|O|ψ> of the observable O is approximately calculated by a weighted sum of a plurality of transition matrix elements <z r |O|z r′ >, where the combination of the weighting coefficient f r and the weighting coefficient f r′ is used as the weight.
A quantum information processing program that allows processing to be performed by a classical computer.
複数の計算基底の線形結合によってN量子ビットの状態|ψ>が表現される場合に、
量子コンピュータによって測定された複数の計算基底の各々の測定値を取得し、
複数の計算基底の各々の測定値に基づいて、複数の測定値から出現回数が多いR個の測定値又は出現回数が所定値以上であるR個の測定値を選択し、選択されたR個の測定値の出現回数に基づいて、出現回数に応じたR個の計算基底|zr>(r=1,・・・,R)に対する重み係数frを計算し、
重み係数frと重み係数fr’との組み合わせを重みとする、複数の遷移行列要素<zr|O|zr’>の重み付け和によって、オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>を近似計算する、
古典コンピュータ。 A classical computer in a hybrid system including a classical computer and a quantum computer,
When the state of N qubits |ψ〉 is expressed by a linear combination of multiple computational bases,
Obtaining measurements of each of a plurality of computational bases measured by the quantum computer;
Based on the measurement values of each of the multiple calculation bases, R measurement values that occur frequently or R measurement values whose occurrence count is equal to or greater than a predetermined value are selected from the multiple measurement values, and based on the occurrence counts of the selected R measurement values, weighting coefficients f r for the R calculation bases |z r > (r = 1, ..., R) corresponding to the occurrence counts are calculated;
The expectation value <ψ|O|ψ> of the observable O is approximately calculated by a weighted sum of a plurality of transition matrix elements <z r |O|z r′ >, where the combination of the weighting coefficient f r and the weighting coefficient f r′ is used as the weight.
Classical computer.
複数の計算基底の線形結合によってN量子ビットの状態|ψ>が表現される場合に、
量子コンピュータが、複数の計算基底の各々を測定することにより、複数の計算基底の測定値を取得し、
古典コンピュータが、量子コンピュータによって測定された複数の計算基底の測定値を取得し、
古典コンピュータが、複数の計算基底の各々の測定値に基づいて、複数の測定値から出現回数が多いR個の測定値又は出現回数が所定値以上であるR個の測定値を選択し、選択されたR個の測定値の出現回数に基づいて、出現回数に応じたR個の計算基底|zr>(r=1,・・・,R)に対する重み係数frを計算し、
古典コンピュータ又は量子コンピュータが、計算基底|zr>と計算基底|zr’>との組み合わせ毎に複数の遷移行列要素<zr|O|zr’>を計算し、
古典コンピュータが、重み係数frと重み係数fr’との組み合わせを重みとする、複数の遷移行列要素<zr|O|zr’>の重み付け和によって、オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>を近似計算する、
ハイブリッドシステム。 A hybrid system including a classical computer and a quantum computer,
When the state of N qubits |ψ〉 is expressed by a linear combination of multiple computational bases,
A quantum computer measures each of a plurality of computational bases to obtain measurement values of the plurality of computational bases;
A classical computer obtains measurements of the multiple computational bases measured by the quantum computer;
a classical computer selects, from the plurality of measurement values, R measurement values that occur frequently or R measurement values whose occurrence count is equal to or greater than a predetermined value, based on the measurement values of each of the plurality of calculation bases, and calculates weighting coefficients f r for the R calculation bases |z r > (r = 1, ..., R) according to the occurrence count, based on the occurrence counts of the selected R measurement values;
A classical computer or a quantum computer calculates a plurality of transition matrix elements <z r |O|z r ' > for each combination of a computational basis |z r > and a computational basis |z r ' >;
A classical computer approximately calculates an expectation value <ψ|O|ψ> of an observable O by a weighted sum of a plurality of transition matrix elements <z r |O|z r' >, where the weights are combinations of weighting coefficients f r and f r'.
Hybrid system.
複数の計算基底の線形結合によってN量子ビットの状態|ψ>が表現される場合に、
複数の量子コンピュータのうちの1以上の量子コンピュータが、複数の計算基底の各々を測定することにより、複数の計算基底の測定値を取得し、
複数の古典コンピュータのうちの1以上の古典コンピュータが、量子コンピュータによって測定された複数の計算基底の測定値を取得し、
複数の古典コンピュータのうちの1以上の古典コンピュータが、複数の計算基底の各々の測定値に基づいて、複数の測定値から出現回数が多いR個の測定値又は出現回数が所定値以上であるR個の測定値を選択し、選択されたR個の測定値の出現回数に基づいて、出現回数に応じたR個の計算基底|zr>(r=1,・・・,R)に対する重み係数frを計算し、
複数の古典コンピュータのうちの1以上の古典コンピュータ又は複数の量子コンピュータのうちの1以上の量子コンピュータが、計算基底|zr>と計算基底|zr’>との組み合わせ毎に複数の遷移行列要素<zr|O|zr’>を計算し、
数の古典コンピュータのうちの1以上の古典コンピュータが、重み係数frと重み係数fr’との組み合わせを重みとする、複数の遷移行列要素<zr|O|zr’>の重み付け和によって、オブザーバブルOの期待値<ψ|O|ψ>を近似計算する、
ハイブリッドシステム。 1. A hybrid system including a plurality of classical computers and a plurality of quantum computers,
When the state of N qubits |ψ〉 is expressed by a linear combination of multiple computational bases,
One or more quantum computers among the plurality of quantum computers obtain measurements of the plurality of computational bases by measuring each of the plurality of computational bases;
one or more classical computers among the plurality of classical computers obtain measurements of the plurality of computational bases measured by the quantum computer;
one or more of the multiple classical computers selects, based on the measurement values of each of the multiple calculation bases, R measurement values that occur frequently or R measurement values whose occurrence count is equal to or greater than a predetermined value from the multiple measurement values, and calculates weighting coefficients f r for the R calculation bases |z r > (r = 1, ..., R) according to the occurrence count based on the occurrence counts of the selected R measurement values;
One or more classical computers among the plurality of classical computers or one or more quantum computers among the plurality of quantum computers calculate a plurality of transition matrix elements <z r |O|z r ' > for each combination of a computational basis |z r > and a computational basis |z r ' >;
one or more classical computers among the number of classical computers calculates an approximation of an expectation value <ψ| O |ψ > of the observable O by a weighted sum of a plurality of transition matrix elements <z r |O|z r′ >, the weights being a combination of a weighting factor f r and a weighting factor f r′;
Hybrid system.
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