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JP7768421B2 - Control device, control method, and program - Google Patents
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JP7768421B2 - Control device, control method, and program - Google Patents

Control device, control method, and program

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Description

特許法第30条第2項適用 2021年12月3日にhttps://arxiv.org/abs/2112.01850v1、https://arxiv.org/pdf/2112.01850v1にて公開 2021年12月11日にhttps://arxiv.org/abs/2112.01850v2、https://arxiv.org/pdf/2112.01850v2にて公開 2022年3月22日にhttps://arxiv.org/abs/2112.01850v3、https://arxiv.org/pdf/2112.01850v3にて公開 2022年7月13日にhttps://arxiv.org/abs/2112.01850v4、https://arxiv.org/pdf/2112.01850v4にて公開Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies. Published on December 3, 2021 at https://arxiv.org/abs/2112.01850v1, https://arxiv.org/pdf/2112.01850v1. Published on December 11, 2021 at https://arxiv.org/abs/2112.01850v2, https://arxiv.org/pdf/2112.01850v2. Published on March 22, 2022 at https://arxiv.org/abs/2112.01850v3, https://arxiv. Published at https://arxiv.org/abs/2112.01850v3 Published at https://arxiv.org/abs/2112.01850v4, https://arxiv.org/pdf/2112.01850v4 on July 13, 2022

本発明は、制御装置、制御方法およびプログラムに関する。 The present invention relates to a control device, a control method, and a program.

量子コンピュータは、量子力学の重ね合わせの原理を活用して計算を行う技術で、素因数分解や量子化学計算などの問題を高速に解けることが期待されているため、その開発が世界で盛んに進められている。量子コンピュータが扱う量子ビットには、古典コンピュータのような0と1が入れ替わるエラーの他に、0と1の「重ね合わせ」の比率がずれる特有のエラーが発生する。そこで、量子コンピュータにおいて発生する誤り(量子エラー)を抑制する方法が研究されている。 Quantum computers are a technology that performs calculations by utilizing the principle of superposition in quantum mechanics. They are expected to be able to quickly solve problems such as prime factorization and quantum chemistry calculations, and their development is being actively pursued around the world. The qubits used by quantum computers are prone to errors where 0s and 1s are swapped, as in classical computers, but also to unique errors where the ratio of 0s and 1s in the "superposition" is shifted. Therefore, methods are being researched to suppress the errors (quantum errors) that occur in quantum computers.

近年、ノイズがあり、数年から数十年以内に開発される中規模の量子コンピュータに関する理論・実験が盛んに研究されている。このような中規模の量子コンピュータでは、量子誤り訂正をかけられるほどの数の量子ビットがないため、量子回路の実行後に事後操作を行うことによって、統計誤差を犠牲にして系統誤差を抑制する誤り抑制法が適用されるのが一般的である。これまでに多くの誤り抑制法が提案されているが、近年、一般的な確率的誤りを抑制できる仮想蒸留法と呼ばれるプロトコルが提案されている(例えば、非特許文献1、非特許文献2)。In recent years, there has been active theoretical and experimental research into mid-scale quantum computers that are noisy and likely to be developed within the next few years to decades. Because such mid-scale quantum computers do not have enough qubits to perform quantum error correction, error suppression methods are typically applied, which suppress systematic errors at the expense of statistical errors by performing post-processing after the execution of a quantum circuit. Many error suppression methods have been proposed, but in recent years, a protocol called virtual distillation has been proposed that can suppress general probabilistic errors (e.g., Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2).

Balint Koczor, "Exponential Error Suppression for Near-Term Quantum Devices", Phys. Rev. X 11, 031057,15 September 2021Balint Koczor, "Exponential Error Suppression for Near-Term Quantum Devices", Phys. Rev. X 11, 031057,15 September 2021 William J. Huggins, Sam McArdle, Thomas E. O'Brien, Joonho Lee, Nicholas C. Rubin, Sergio Boixo, K. Birgitta Whaley, Ryan Babbush, and Jarrod R. McClean, "Virtual Distillation for Quantum Error Mitigation", Phys. Rev. X 11, 041036,19 November 2021William J. Huggins, Sam McArdle, Thomas E. O'Brien, Joonho Lee, Nicholas C. Rubin, Sergio Boixo, K. Birgitta Whaley, Ryan Babbush, and Jarrod R. McClean, "Virtual Distillation for Quantum Error Mitigation", Phys. Rev. X 11, 041036,19 November 2021

従来の仮想蒸留法では、ランダムにゆらぎながら増加していく誤り確率に対して、計算の順序等によっては、量子計算におけるエラーを効率的に抑制できない可能性がある。 With conventional virtual distillation methods, the error probability increases while fluctuating randomly, and depending on the order of calculations, etc., it may not be possible to efficiently suppress errors in quantum computing.

開示の技術は、量子計算におけるエラーの効率的な抑制を実現させることを目的とする。 The disclosed technology aims to achieve efficient error suppression in quantum computing.

開示の技術は、量子回路を用いて、仮想蒸留法における式の分子と分母の量子計算を交互に、または同時に複数回実行し、分子および分母の複数個の状態の期待値を算出する期待値算出部と、得られた前記複数個の状態を誤り抑制回路に入力し、出力値を得る誤り抑制算出部と、前記期待値の算出と前記出力値の取得とを繰り返し実行して、測定値を算出し、算出された測定値に基づいて、量子計算における目標値を推定する目標値推定部と、を備える制御装置である。 The disclosed technology is a control device that includes an expected value calculation unit that uses a quantum circuit to alternately or simultaneously perform quantum calculations on the numerator and denominator of an equation in the virtual distillation method multiple times to calculate expected values for multiple states of the numerator and denominator; an error suppression calculation unit that inputs the obtained multiple states into an error suppression circuit and obtains an output value; and a target value estimation unit that repeatedly calculates the expected value and obtains the output value to calculate a measurement value and estimates a target value in the quantum calculation based on the calculated measurement value.

開示の技術によれば、量子計算におけるエラーの効率的な抑制を実現させることを目的とする。 The disclosed technology aims to achieve efficient error suppression in quantum computing.

従来の量子計算について説明するための第一の図である。FIG. 1 is a first diagram for explaining conventional quantum computing. 従来の量子計算について説明するための第二の図である。FIG. 10 is a second diagram for explaining conventional quantum computing. 本発明の実施の形態に係る量子計算について説明するための図である。1 is a diagram for explaining quantum computation according to an embodiment of the present invention; 量子計算システムのシステム構成の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a system configuration of a quantum computing system. 量子計算システムに含まれる各装置の機能構成の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the functional configuration of each device included in the quantum computing system. 量子計算処理の流れの一例を示すフローチャートである。1 is a flowchart showing an example of the flow of a quantum computing process. コンピュータのハードウェア構成の一例を示す図である。FIG. 2 illustrates an example of a hardware configuration of a computer.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態(本実施の形態)を説明する。以下で説明する実施の形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施の形態は、以下の実施の形態に限られるわけではない。 The following describes an embodiment of the present invention (the present embodiment) with reference to the drawings. The embodiment described below is merely an example, and the embodiments to which the present invention can be applied are not limited to the following embodiment.

なお、本実施の形態の参考技術等に関連する参考文献の番号と文献名を最後にまとめて記載した。下記の説明において関連する参考文献の番号を"[1]"等のように示している。 Note that the reference numbers and names of reference documents related to the reference technologies of this embodiment are listed at the end. In the following explanation, the numbers of related reference documents are indicated as "[1]" etc.

(従来の問題点)
まず、従来の問題点について説明する。従来の量子計算では、ノイズモデルを完全に知っているという前提の下で、どのように量子誤りを抑制するかが議論されてきた。しかしながら、実験で頻繁に観察されるコヒーレンス時間の変動により、ノイズモデルに関する完全な情報を常に取得できるとは限らない。このような未知の変動ノイズの影響は、量子計算を実際の量子計算機で行う上では無視できない。本実施の形態では、未知の変動ノイズを除去できるエラー抑制法について説明する。以下では、本実施の形態に係るプロトコルが未知の変動ノイズを抑制し、高精度な量子計算を行うことができることを示す。
(Conventional problems)
First, the problems of the prior art will be described. In conventional quantum computing, discussions have focused on how to suppress quantum errors under the assumption that the noise model is completely known. However, due to fluctuations in coherence time frequently observed in experiments, it is not always possible to obtain complete information about the noise model. The influence of such unknown fluctuation noise cannot be ignored when performing quantum computing on an actual quantum computer. In this embodiment, an error suppression method capable of removing unknown fluctuation noise will be described. Below, we will show that the protocol according to this embodiment can suppress unknown fluctuation noise and perform highly accurate quantum computing.

エンタングルされたリソースを使用した量子計算は、量子ビット数に関して指数関数的にスピードアップすることが示されている[1]。 Quantum computing using entangled resources has been shown to speed up exponentially with respect to the number of qubits [1].

量子計算はデコヒーレンスの影響を受けやすい。デコヒーレンスの対処をするために量子誤り訂正や量子誤り抑制が提案されてきた。しかし、従来は、ノイズモデルが十分に特徴付けられるという前提の下で、主に統計誤差の観点から計算精度が議論されてきた。 Quantum computing is susceptible to decoherence. Quantum error correction and quantum error suppression have been proposed to address decoherence. However, traditionally, computational accuracy has been discussed primarily from the perspective of statistical error, under the assumption that the noise model is well characterized.

図1は、従来の量子計算について説明するための第一の図である。従来は、ノイズモデルが完全にわかっているという前提で、主に統計誤差の観点から計算精度が議論されてきた。 Figure 1 is the first diagram used to explain conventional quantum computing. Traditionally, computational accuracy has been discussed primarily from the perspective of statistical error, assuming that the noise model is perfectly understood.

実験では、通常はコヒーレンス時間の変動が原因で、ノイズ モデルの完全な情報を常に取得できるとは限らない[6-8]。したがって、ノイズの特性評価は扱いにくくなり、系統誤差につながる。以下では、このようなノイズを「変動ノイズ」ともいう。系統誤差は通常、実際の状況と、実験者が目標パラメータを推定するために使用する理論モデルとの間の相違から生じる。In experiments, it is not always possible to obtain complete information for the noise model, usually due to fluctuations in coherence time [6-8]. Therefore, characterizing the noise becomes difficult and leads to systematic errors. In the following, such noise is also referred to as "fluctuation noise." Systematic errors usually arise from discrepancies between the real situation and the theoretical model used by experimenters to estimate target parameters.

図2は、従来の量子計算について説明するための第二の図である。従来、ノイズモデルが不明であるため、実際の状況と、実験者が目標パラメータを推定するために使用する理論モデルとの間の相違から生じる。 Figure 2 is a second diagram to explain conventional quantum computing. Traditionally, the noise model is unknown, resulting from the discrepancy between the actual situation and the theoretical model used by experimenters to estimate target parameters.

このような扱いにくいノイズの特性評価は、不正確な理論モデルにつながり、推定に系統誤差を誘発する。実際、系統誤差は量子計算にとって致命的である。 Such intractable noise characterization leads to inaccurate theoretical models and induces systematic errors in estimation. In fact, systematic errors are fatal to quantum computing.

実際には、系統誤差は、サンプル数を増やしても減らすことができず、精度の向上を深刻に制限するため、量子計算にとって致命的である[9]。体系的なエラーは通常、実験に存在するにもかかわらず、いくつかの研究では特定のシナリオに取り組んでいるが、それらを処理するための一般的なアプローチはまだ提案されていない[10-12]。In practice, systematic errors are fatal to quantum computing because they cannot be reduced by increasing the number of samples and severely limit the improvement of accuracy [9]. Although systematic errors are usually present in experiments, some studies have addressed specific scenarios, but no general approach to dealing with them has yet been proposed [10-12].

従来の第一の問題点は、現実的な量子計算機では、誤り確率はランダムにゆらぎながら増加していく。仮想蒸留法における式(4)の分子の計算と分母の計算の具体的な順序は示されておらず、安直にどちらかの計算を行ってから残りの計算を行おうとすると、その時の誤り確率の値が異なり、エラーが効率的に抑制されるとは限らないという問題点が、既存のプロトコルに存在するという点である。 The first problem with conventional protocols is that in realistic quantum computers, the error probability increases while fluctuating randomly. The specific order in which the numerator and denominator of equation (4) are calculated in the virtual distillation method is not specified, and if one simply performs one of the calculations before the remaining calculation, the error probability value will be different, and errors may not be efficiently suppressed. This is a problem that exists in existing protocols.

従来の第二の問題点は、既存のプロトコルはあるユニタリー行列の期待値を求めるものであったが、現実的にはユニタリーではない多くの量子ビットに対する射影演算子の期待値を求めたい場合が存在する。しかし既存のプロトコルはその場合には対応していないという点である。 The second problem with existing protocols is that, while they calculate the expectation value of a unitary matrix, in reality there are cases where we want to calculate the expectation value of a projection operator for many non-unitary quantum bits. However, existing protocols do not address this case.

(本実施の形態の概要)
本実施の形態では、量子誤り抑制(QEM:Quantum Error Mitigation)を組み込んだ量子計算プロトコルについて説明する。本実施の形態に係る量子計算プロトコルは、体系的な量子誤りを指数関数的に抑制し、未知の変動ノイズが存在する場合でも感度のスケーリングを改善する。
(Outline of this embodiment)
This embodiment describes a quantum computing protocol incorporating quantum error mitigation (QEM), which exponentially suppresses systematic quantum errors and improves sensitivity scaling even in the presence of unknown fluctuating noise.

従来のQEM法は、短期量子アルゴリズムによって生成される期待値の系統誤差を抑制するように設計されているが[8,14-23]、未知の変動ノイズから生じる系統誤差を抑制するには適していない。たとえば、確率論的エラーキャンセレーションは、ノイズの特徴付けに基づいてノイズマップを反転することによってノイズの影響をキャンセルする[15,16]。したがって、未知の変動ノイズがQEMのパフォーマンスを著しく低下させる。この問題に対処するために、精製ベースのQEM[13,24]に着想を得たエラー抑制量子計算は、実験ごとに異なる変動ノイズを除去する。数値シミュレーションでは、それを使用して、バイアスを誘発するマルコフおよび時間不均一ノイズを抑制し、それによって高精度を達成した。While conventional QEM methods are designed to suppress systematic errors in the expectation values generated by short-term quantum algorithms [8,14-23], they are not well suited to suppressing systematic errors arising from unknown fluctuation noise. For example, probabilistic error cancellation cancels the effects of noise by inverting the noise map based on noise characterization [15,16]. Therefore, unknown fluctuation noise significantly degrades the performance of QEM. To address this issue, error-suppressing quantum computing, inspired by refinement-based QEM [13,24], removes fluctuation noise that varies from experiment to experiment. In numerical simulations, it has been used to suppress bias-inducing Markov and time-inhomogeneous noise, thereby achieving high accuracy.

(系統誤差を伴う量子計算)
ここで、量子計算における系統誤差の一般理論について説明する。典型的な量子計算のセットアップでは、初期状態を準備し、この状態に対してパラメータωによって特徴付けられるユニタリー演算子を適用し、状態ρを取得する。次に、バイナリ結果を生成する射影演算子Pによって記述できるこの状態の測定を実行する。測定結果m∈{-1,1}は、式(1)に示される測定確率から得られる。
(Quantum computing with systematic errors)
We now describe the general theory of systematic errors in quantum computing. In a typical quantum computing setup, we prepare an initial state and apply a unitary operator characterized by a parameter ω to this state to obtain a state ρ. We then perform a measurement of this state, which can be described by a projection operator P that produces a binary result. The measurement result m j ∈{−1, 1} is obtained from the measurement probability shown in equation (1).

p=Tr[Pρ]=x+yω・・・(1) p=Tr[Pρ]=x+yω...(1)

ここで、xとyはスカラーである。ここでは、ωが小さいと仮定し、ωの高次項を無視した。測定をNsamp回繰り返すと、平均値 Here, x and y are scalars. Here, we assume that ω is small and ignore higher-order terms of ω. When the measurement is repeated N samp times, the average value is

が得られる。 is obtained.

パラメータωを推定するには、この実験データを理論モデルに適合させる必要がある。ρに関する不完全な知識がある場合、推定する理論モデルは実際のモデルとは異なるものになる。このような不正確な理論モデルに基づく確率は、式(2)のように表すことができる。 To estimate the parameter ω, we need to fit this experimental data to a theoretical model. If we have imperfect knowledge of ρ, the estimated theoretical model will differ from the actual model. The probability based on such an inaccurate theoretical model can be expressed as equation (2).

=Tr[Pρ]=x+yω・・・(2) p e =Tr[Pρ e ]=x e +y e ω...(2)

ここで、p、xおよびyは、それぞれp、xおよびyの推定値を示す。式(2)を参照して、ω=(S-x)/yのように、Sからωを推定する。推定された、ωはωとは異なる可能性があり、このことが系統誤差につながる。 where p e , x e , and y e are the estimated values of p, x, and y, respectively. Referring to equation (2), we estimate ω from S N as ω e = (S N - x e )/y e . The estimated ω e may differ from ω, which leads to a systematic error.

系統誤差により、目標値の推定の不確実性を考慮する必要がある。ωの推定の不確実性は、 Due to systematic errors, it is necessary to consider the uncertainty in the estimation of the target value. The uncertainty in the estimation of ω is

として定義され、ここで、括弧はアンサンブル平均を示し、次のように計算される。 where the brackets indicate the ensemble average and is calculated as follows:

ここで、Var[p]はpの分散であり、通常はVar[p]=p(1-p)/Nsampである。ここでは、ωが小さいため、(y-yω-2(x-x)(y-y)ωの項が無視されている。従来の理論的研究のほとんどは、ρ=ρと仮定することにより、式(3)の最初の項に焦点を当てている。これは、Nsampの増加に伴って減少する統計誤差に由来する。式(3)の第2項は、確率p≠pの誤った推定によって引き起こされる系統誤差x-xに由来する。Nsampが増加してもx-xが残るため、σωの精度を損なわせる。そこで、本実施の形態では、QEMを使用して系統誤差x-xを減らすことに焦点を当てる。 Here, Var[p] is the variance of p, and typically Var[p] = p(1-p)/N samp . Here, the term (y-y e ) 2 ω 2 -2(x-x e )(y-y e )ω is ignored because ω is small. Most previous theoretical studies focus on the first term in equation (3) by assuming ρ = ρ e . This term originates from statistical error, which decreases as N samp increases. The second term in equation (3) originates from the systematic error x-x e caused by an incorrect estimation of the probability p ≠ p e . Since x-x e remains even when N samp increases, it impairs the accuracy of σ 2 ω. Therefore, in this embodiment, we focus on reducing the systematic error x-x e using QEM.

(量子誤りが抑制された量子計算)
次に、本実施の形態に係る量子誤りが抑制された量子計算の概要について説明する。ここでは、精製ベースのQEM[13,24]に触発された、量子誤りが抑制された量子計算の一般的なフレームワークについて説明する。ノイズは実験を行うごとに変動すると仮定する。すなわち、ρで表されるi番目の測定のための互いに異なる量子状態が想定される。本実施の形態に係るフレームワークの重要な量は、以下に示すような、量子計算のために測定されたオブザーバブルOについての量子誤りが抑制された期待値である。
(Quantum computing with suppressed quantum errors)
Next, we will provide an overview of quantum error-suppressed quantum computation according to the present embodiment. Here, we will describe a general framework for quantum error-suppressed quantum computation inspired by refinement-based QEM [13, 24]. We assume that noise varies from experiment to experiment; that is, we assume different quantum states for the i-th measurement, denoted by ρi . The key quantity in this framework is the quantum error-suppressed expectation value for the measured observable O for quantum computation, as follows:

ここで、 where:

は、正規化されていない精製された密度行列であり、Nsampは測定の数である。変動ノイズに対するフィルタリング効果については後述する。 is the unnormalized refined density matrix and Nsamp is the number of measurements. The filtering effect on fluctuation noise is discussed below.

図3は、本発明の実施の形態に係る量子計算について説明するための図である。図3は、 Figure 3 is a diagram for explaining quantum computation according to an embodiment of the present invention.

を計算するためのプロトコルの概略図である。手順は次のとおりである。 FIG. 1 is a schematic diagram of the protocol for calculating σ. The procedure is as follows:

(1)初期状態ρ(0)の2n個のコピーを作成する。(2)これらの2n個のコピーを相互作用時間tの間、同時に(またはほぼ同時に)ノイズの下でユニタリー操作を実行することで、変動ノイズを含むρ(t)の2n個のコピーを取得する。(3)ρ(t)のこれらの2n個のコピーを半分に分割する。(4)2n個の密度行列のn個を精製回路に入力し、シングルショットの測定結果を取得して、式(4)の分子を計算する。(5)残りのn個の密度行列を(4)と同様の方法で入力し、O=Iに設定して、式(4)の分母を計算する[25]。(6)(1)-(5)を繰り返して (1) Create 2n copies of the initial state ρ(0). (2) Perform unitary operations on these 2n copies simultaneously (or nearly simultaneously) under noise for the interaction time t to obtain 2n copies of ρ i (t) with fluctuation noise. (3) Divide these 2n copies of ρ i (t) in half. (4) Input n of the 2n density matrices into the refinement circuit, obtain a single-shot measurement result, and calculate the numerator of equation (4). (5) Input the remaining n density matrices in the same way as (4), set O = I, and calculate the denominator of equation (4) [25]. (6) Repeat (1)-(5)

and

とを計算する。 Calculate the following.

そして、式(4)を計算する。(7)式(1)でpを使用する代わりに、量子誤りが抑制された期待値(式(4)の値)を使用して、ωを推定する。なお、精製回路に入力されるNsamp状態のアンサンブルの密度行列は、次のように記述できる。 Then, calculate equation (4). (7) Instead of using p in equation (1), estimate ω using the expectation value with suppressed quantum errors (the value of equation (4)). Note that the density matrix of the ensemble of N samp states input to the refinement circuit can be written as follows:

このようにして、簡単な計算によって、式(4)を取得できる。 In this way, equation (4) can be obtained through simple calculations.

ここで、変動するノイズが存在する場合でも、プロトコルがノイズの多い状態をフィルター処理して、支配的な純粋な状態を抽出できることを示す。ρのスペクトル分解を Here we show that even in the presence of fluctuating noise, our protocol is able to filter the noisy states and extract the dominant pure state. We define the spectral decomposition of ρi as

と表すと、 This can be expressed as:

が得られる。ここで、pmax=maxik(i) であり、 Here, p max = max ik p (i) k ,

は対応する固有状態である。したがって、当該固有状態以外の状態の寄与は、コピー数nが増加するにつれて指数関数的に抑制される。これは、この方法が変動ノイズを除去できることを意味する。一般に、混合状態の支配的な固有ベクトルはノイズによって歪められ、理想的な量子状態とは異なる。これはコヒーレントミスマッチと呼ばれる[26]。それにもかかわらず、数値シミュレーションで後述するように、本実施の形態に係る方法は、系統誤差を明確に排除し、実際のシナリオでδωの劇的な改善を可能にする。 is the corresponding eigenstate. Therefore, the contribution of states other than the eigenstate is exponentially suppressed as the copy number n increases. This means that our method can eliminate fluctuation noise. In general, the dominant eigenvector of a mixed state is distorted by noise and differs from the ideal quantum state. This is called coherent mismatch [26]. Nevertheless, as we will show later in the numerical simulations, our method clearly eliminates systematic errors and enables a dramatic improvement of δ 2 ω in practical scenarios.

次に、上述した量子計算を実現させる構成について説明する。 Next, we will explain the configuration that realizes the above-mentioned quantum computing.

図4は、量子計算システムのシステム構成の一例を示す図である。量子計算システム1は、制御装置10と量子計算機20とを備える。制御装置10および量子計算機20は、通信可能に接続されている。 Figure 4 is a diagram showing an example of the system configuration of a quantum computing system. The quantum computing system 1 comprises a control device 10 and a quantum computer 20. The control device 10 and the quantum computer 20 are connected so that they can communicate with each other.

制御装置10は、上述した古典コンピュータの一例であって、量子計算機20の量子状態を測定し、測定結果に基づく演算、量子計算機20の量子状態の制御等を行う。 The control device 10 is an example of the classical computer described above, and measures the quantum state of the quantum computer 20, performs calculations based on the measurement results, controls the quantum state of the quantum computer 20, etc.

量子計算機20は、上述した量子コンピュータの一例であって、制御装置10によって制御または計算される量子ビットを備える装置である。 The quantum computer 20 is an example of the quantum computer described above, and is a device having quantum bits that are controlled or calculated by the control device 10.

図5は、量子計算システムに含まれる各装置の機能構成の一例を示す図である。制御装置10は、期待値算出部11と、誤り抑制算出部12と、目標値推定部13と、を備える。量子計算機20は、量子回路21と、誤り抑制回路22と、を備える。 Figure 5 is a diagram showing an example of the functional configuration of each device included in a quantum computing system. The control device 10 includes an expected value calculation unit 11, an error suppression calculation unit 12, and a target value estimation unit 13. The quantum computer 20 includes a quantum circuit 21 and an error suppression circuit 22.

期待値算出部11は、制御装置10に入力される指示情報に基づいて、量子回路21を用いて、仮想蒸留法における上述の式(4)の分子と分母の量子計算を交互に(例えば、分子→分母→分子→分母→・・・のように)または同時にn回実行し、分子および分母のn個の状態の期待値を算出する。 Based on the instruction information input to the control device 10, the expected value calculation unit 11 uses the quantum circuit 21 to perform quantum calculations of the numerator and denominator of the above-mentioned equation (4) in the virtual distillation method alternately (for example, numerator → denominator → numerator → denominator → ...) or simultaneously n times, and calculates the expected values of the n states of the numerator and denominator.

誤り抑制算出部12は、期待値算出部11により得られたn個の状態を誤り抑制回路22に入力し、出力値を得る。その際に、式(4)の分子の計算の際の誤り抑制回路22で実行されるGHZ状態におけるy軸への射影測定演算子は、上述した一般式により構築されたユニタリー演算子とする。 The error suppression calculation unit 12 inputs the n states obtained by the expectation calculation unit 11 into the error suppression circuit 22 and obtains an output value. In this case, the projection measurement operator onto the y-axis in the GHZ state executed by the error suppression circuit 22 when calculating the numerator of equation (4) is the unitary operator constructed by the general formula described above.

目標値推定部13は、期待値算出部11および誤り抑制算出部12によって十分な回数繰り返し実行された測定値に基づいて、量子誤りが抑制された目標値を推定する。制御装置10は、推定された目標値を示す情報を、他の装置に送信するか、画面等に表示してもよい。 The target value estimation unit 13 estimates a target value in which quantum errors are suppressed based on the measurement values repeatedly performed a sufficient number of times by the expected value calculation unit 11 and the error suppression calculation unit 12. The control device 10 may transmit information indicating the estimated target value to another device or display it on a screen, etc.

次に、制御装置10の動作について説明する。 Next, the operation of the control device 10 will be explained.

図6は、量子計算処理の流れの一例を示すフローチャートである。制御装置10の量子計算の指示情報を取得すると、量子計算処理を開始する。 Figure 6 is a flowchart showing an example of the flow of quantum computing processing. When the control device 10 acquires quantum computing instruction information, the quantum computing processing begins.

期待値算出部11は、指示情報に基づいて、仮想蒸留法の分子と分母の量子計算を交互にn回実行する(ステップS101)。具体的には、期待値算出部11は、制御装置10に入力される指示情報に基づいて、量子回路21を用いて、仮想蒸留法における上述の式(4)の分子と分母の量子計算を交互に(例えば、分子→分母→分子→分母→・・・のように)または同時にn回実行し、分子および分母のn個の状態の期待値を算出する。Based on the instruction information, the expected value calculation unit 11 alternately performs n quantum calculations of the numerator and denominator of the virtual distillation method (step S101). Specifically, based on the instruction information input to the control device 10, the expected value calculation unit 11 uses the quantum circuit 21 to alternately (e.g., numerator → denominator → numerator → denominator → ...) or simultaneously perform n quantum calculations of the numerator and denominator of the above-mentioned equation (4) in the virtual distillation method, and calculates the expected values of the n states of the numerator and denominator.

続いて、誤り抑制算出部12は、得られたn個の状態を示すデータを誤り抑制回路22に入力して、誤り抑制された出力値を得る(ステップS102)。 Next, the error suppression calculation unit 12 inputs the data indicating the obtained n states into the error suppression circuit 22 to obtain an error-suppressed output value (step S102).

次に、制御装置10は、ステップS101とステップS102を繰り返し実行して、測定値Oを算出する(ステップS103)。測定値Oは、例えば、式(4)の値である。そして、目標値推定部13は、測定値Oに基づいて、目標値ωを推定する(ステップS104)。具体的な推定の方法は、上述した通りであってもよい。Next, the control device 10 repeatedly executes steps S101 and S102 to calculate the measurement value O (step S103). The measurement value O is, for example, the value of equation (4). Then, the target value estimation unit 13 estimates the target value ω based on the measurement value O (step S104). The specific estimation method may be as described above.

制御装置10は、例えば、図7に示すコンピュータ500のハードウェア構成により実現される。図7に示すコンピュータ500は、入力装置501と、表示装置502と、外部I/F503と、通信I/F504と、プロセッサ505と、メモリ装置506とを有する。これらの各ハードウェアは、それぞれがバス507により通信可能に接続される。 The control device 10 is realized, for example, by the hardware configuration of a computer 500 shown in Figure 7. The computer 500 shown in Figure 7 has an input device 501, a display device 502, an external I/F 503, a communication I/F 504, a processor 505, and a memory device 506. Each of these pieces of hardware is connected to each other so that they can communicate with each other via a bus 507.

入力装置501は、例えば、キーボードやマウス、タッチパネル等である。表示装置502は、例えば、ディスプレイ等である。なお、コンピュータ500は、入力装置501及び表示装置502のうちの少なくとも一方を有していなくてもよい。 The input device 501 is, for example, a keyboard, a mouse, a touch panel, etc. The display device 502 is, for example, a display, etc. Note that the computer 500 does not necessarily have to have at least one of the input device 501 and the display device 502.

外部I/F503は、記録媒体503a等の外部装置とのインタフェースである。なお、記録媒体503aとしては、例えば、CD(Compact Disc)、DVD(Digital Versatile Disk)、SDメモリカード(Secure Digital memory card)、USB(Universal Serial Bus)メモリカード等が挙げられる。 The external I/F 503 is an interface with external devices such as a recording medium 503a. Examples of recording media 503a include a CD (Compact Disc), a DVD (Digital Versatile Disk), an SD memory card (Secure Digital memory card), and a USB (Universal Serial Bus) memory card.

通信I/F504は、他の装置や機器、システム等との間でデータ通信を行うためのインタフェースである。プロセッサ505は、例えば、CPU等の各種演算装置である。メモリ装置506は、例えば、HDDやSSD、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ等の各種記憶装置である。 The communication I/F 504 is an interface for data communication with other devices, equipment, systems, etc. The processor 505 is, for example, a CPU or other computing device. The memory device 506 is, for example, a HDD, SSD, RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), flash memory, or other storage device.

制御装置10は、図7に示すコンピュータ500のハードウェア構成を有することにより、後述する各種処理を実現することができる。なお、図7に示すコンピュータ500のハードウェア構成は一例であって、コンピュータ500は、他のハードウェア構成を有していてもよい。例えば、コンピュータ500は、複数のプロセッサ505を有していてもよいし、複数のメモリ装置506を有していてもよい。 The control device 10 has the hardware configuration of the computer 500 shown in Figure 7, which enables it to perform the various processes described below. Note that the hardware configuration of the computer 500 shown in Figure 7 is only an example, and the computer 500 may have other hardware configurations. For example, the computer 500 may have multiple processors 505 or multiple memory devices 506.

(可能な実験的実現)
最後に、超伝導磁束量子ビット(FQ:Flux Qubits)を使用して、本実施の形態に係るスキームを実現する方法について説明する。FQは、コヒーレンス時間が長いため[30]、量子計算に有望である[27-29]。量子計算では、FQは人工原子であるため、回路設計の自由度が高く、忠実度とスケーラビリティの高いユニバーサルゲートセットを構築できる[32,33]。したがって、FQを使用して、エンタングルメントを生成したり、精製ベースのQEMを実装したりできる。ここで、忠実度の高い量子操作、例えば制御されたSWAPゲートが必要である。
(Possible experimental realization)
Finally, we demonstrate how to implement our scheme using superconducting flux qubits (FQs). FQs are promising candidates for quantum computing due to their long coherence time [30]. [27-29] In quantum computing, FQs are artificial atoms, allowing for high degrees of freedom in circuit design and the construction of a set of universal gates with high fidelity and scalability [32, 33]. Therefore, FQs can be used to generate entanglement or implement refinement-based QEM. Here, high-fidelity quantum operations, such as controlled SWAP gates, are required.

(結論と見通し)
本実施の形態では、通常はコヒーレンス時間の変動によって引き起こされる未知のノイズの誤った推定に起因する系統誤差を減らすために、量子誤りが抑制された量子計算について説明した。精製ベースのQEMに着想を得た量子誤りが抑制された量子計算は、実験ごとに異なる変動ノイズを除去する。この方法を使用して、系統誤差がδωの精度を損なわせる、バイアスを誘発するマルコフおよび時間不均一ノイズを抑制し、精度の回復を実証した。特に、後者の場合、本実施の形態に係る方法は、高精度の達成につながった。ここで、本実施の形態に係る方法における入力密度行列のコピーの数は、精製ベースのQEM[34-36]に関連する他の方法を使用することによって減らすことができ、コヒーレントエラーは、私たちの方法を一般化されたサブスペース拡張[37]と組み合わせることによってさらに減らすことができる。本実施の形態に係るシミュレーション結果は、変動ノイズによって通常発生する系統誤差の影響を受ける量子計算に、この方式が有用であることを示唆しており、したがって、量子計算で高精度を達成する道を開くと言える。
(Conclusion and outlook)
In this paper, we describe quantum error-suppressed quantum computation to reduce systematic errors resulting from incorrect estimation of unknown noise, typically caused by coherence time fluctuations. Inspired by refinement-based QEM, quantum error-suppressed quantum computation eliminates fluctuation noise, which varies from experiment to experiment. Using this method, we demonstrate the recovery of accuracy by suppressing bias-inducing Markovian and time-inhomogeneous noise, where systematic errors impair the accuracy of δ 2 ω. In particular, in the latter case, our method achieved high accuracy. Note that the number of copies of the input density matrix in our method can be reduced by using other methods related to refinement-based QEM [34-36], and coherent errors can be further reduced by combining our method with generalized subspace expansion [37]. Simulation results suggest that our method is useful for quantum computations that are subject to systematic errors typically caused by fluctuation noise, thus paving the way to achieving high accuracy in quantum computing.

本実施の形態によれば、量子計算におけるエラーの効率的な抑制を実現させることができるようになる。具体的に、従来の第一の問題点に対して、本実施の形態に係る量子計算では、誤り確率が計算中に変わる場合において、仮想蒸留法における式(4)の分子と分母の計算に対応する量子計算を同時、または交互に行う。これにより、分子と分母の計算時に両者が受ける誤りがほぼ等しくなり、時間依存する誤り確率に対しても効率的に誤り抑制が行える。 According to this embodiment, it is possible to achieve efficient error suppression in quantum computing. Specifically, in response to the first conventional problem, quantum computing according to this embodiment performs quantum computations corresponding to the calculation of the numerator and denominator of equation (4) in the virtual distillation method simultaneously or alternately when the error probability changes during the calculation. This makes the errors incurred by both the numerator and denominator when calculating them approximately equal, enabling efficient error suppression even for time-dependent error probabilities.

また、従来の第二の問題点に対して、本実施の形態に係る量子計算では、多くの量子ビットに対する射影演算子からユニタリー演算子を構築する一般式が示され、当該一般式に基づいて構築されたユニタリー演算子を用いて誤り抑制の回路が構成されている。これにより、現実的にはユニタリーではない多くの量子ビットに対する射影演算子の期待値を求めることができる。 In addition, to address the second problem of the conventional technology, the quantum computing of this embodiment shows a general formula for constructing a unitary operator from projection operators for many quantum bits, and an error suppression circuit is constructed using the unitary operator constructed based on this general formula. This makes it possible to calculate the expected value of the projection operator for many quantum bits that are not actually unitary.

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(付記)
以上の実施形態に関し、更に以下の付記項を開示する。
(付記項1)
メモリと、
前記メモリに接続された少なくとも1つのプロセッサと、を含む制御装置であって、
前記プロセッサは、
量子回路を用いて、仮想蒸留法における式の分子と分母の量子計算を交互に、または同時に複数回実行し、分子および分母の複数個の状態の期待値を算出し、
得られた前記複数個の状態を誤り抑制回路に入力し、出力値を得て、
前記期待値の算出と前記出力値の取得とを繰り返し実行して、測定値を算出し、算出された測定値に基づいて、量子計算における目標値を推定する、
制御装置。
(付記項2)
前記プロセッサは、前記仮想蒸留法における前記分子の計算の際の前記誤り抑制回路に対して、多くの量子ビットに対する射影演算子から構築されたユニタリー演算子を使用して前記出力値を得る、
付記項1に記載の制御装置。
(付記項3)
量子回路を用いて、仮想蒸留法における式の分子と分母の複数個の状態の期待値を算出し、
得られた前記複数個の状態を誤り抑制回路に入力し、前記仮想蒸留法における前記分子の計算の際の前記誤り抑制回路に対して、多くの量子ビットに対する射影演算子から構築されたユニタリー演算子を使用して出力値を得て、
前記期待値の算出と前記出力値の取得とを繰り返し実行して、測定値を算出し、算出された測定値に基づいて、量子計算における目標値を推定する、
制御装置。
(付記項4)
コンピュータが実行する制御方法であって、
量子回路を用いて、仮想蒸留法における式の分子と分母の量子計算を交互に、または同時に複数回実行し、分子および分母の複数個の状態の期待値を算出し、
得られた前記複数個の状態を誤り抑制回路に入力し、出力値を得て、
前記期待値の算出と前記出力値の取得とを繰り返し実行して、測定値を算出し、算出された測定値に基づいて、量子計算における目標値を推定する、
制御方法。
(付記項5)
コンピュータが実行する制御方法であって、
量子回路を用いて、仮想蒸留法における式の分子と分母の複数個の状態の期待値を算出し、
得られた前記複数個の状態を誤り抑制回路に入力し、前記仮想蒸留法における前記分子の計算の際の前記誤り抑制回路に対して、多くの量子ビットに対する射影演算子から構築されたユニタリー演算子を使用して出力値を得て、
前記期待値の算出と前記出力値の取得とを繰り返し実行して、測定値を算出し、算出された測定値に基づいて、量子計算における目標値を推定する、
制御方法。
(付記項6)
コンピュータを、付記項1または2に記載の制御装置における各部として機能させるためのプログラムを記憶した非一時的記憶媒体。
(付記項7)
コンピュータを、付記項3に記載の制御装置における各部として機能させるためのプログラムを記憶した非一時的記憶媒体。
(Additional Note)
The following additional clauses are disclosed in relation to the above-described embodiment.
(Additional note 1)
Memory and
at least one processor coupled to the memory,
The processor:
Using a quantum circuit, quantum calculations of the numerator and denominator of the formula in the virtual distillation method are performed alternately or simultaneously multiple times to calculate expectation values of multiple states of the numerator and denominator;
inputting the obtained plurality of states into an error suppression circuit to obtain an output value;
The calculation of the expected value and the acquisition of the output value are repeatedly performed to calculate a measurement value, and a target value in quantum computing is estimated based on the calculated measurement value.
Control device.
(Additional note 2)
The processor obtains the output value using a unitary operator constructed from a projection operator for many quantum bits for the error suppression circuit during calculation of the molecule in the virtual distillation method.
The control device according to claim 1.
(Additional note 3)
Using quantum circuits, we calculate the expectation values of multiple states of the numerator and denominator of the formula in the virtual distillation method,
The obtained plurality of states are input to an error suppression circuit, and an output value is obtained using a unitary operator constructed from a projection operator for many quantum bits for the error suppression circuit during calculation of the molecule in the virtual distillation method;
The calculation of the expected value and the acquisition of the output value are repeatedly performed to calculate a measurement value, and a target value in quantum computing is estimated based on the calculated measurement value.
Control device.
(Additional note 4)
A computer-implemented control method comprising:
Using a quantum circuit, quantum calculations of the numerator and denominator of the formula in the virtual distillation method are performed alternately or simultaneously multiple times to calculate expectation values of multiple states of the numerator and denominator;
inputting the obtained plurality of states into an error suppression circuit to obtain an output value;
The calculation of the expected value and the acquisition of the output value are repeatedly performed to calculate a measurement value, and a target value in quantum computing is estimated based on the calculated measurement value.
Control method.
(Additional note 5)
A computer-implemented control method comprising:
Using quantum circuits, we calculate the expectation values of multiple states of the numerator and denominator of the formula in the virtual distillation method,
The obtained plurality of states are input to an error suppression circuit, and an output value is obtained using a unitary operator constructed from a projection operator for many quantum bits for the error suppression circuit during calculation of the molecule in the virtual distillation method;
The calculation of the expected value and the acquisition of the output value are repeatedly performed to calculate a measurement value, and a target value in quantum computing is estimated based on the calculated measurement value.
Control method.
(Additional note 6)
A non-transitory storage medium storing a program for causing a computer to function as each unit in the control device according to claim 1 or 2.
(Supplementary Note 7)
A non-transitory storage medium storing a program for causing a computer to function as each unit in the control device described in appended claim 3.

以上、本実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The present embodiment has been described above, but the present invention is not limited to such a specific embodiment, and various modifications and variations are possible within the scope of the gist of the present invention as described in the claims.

1 量子計算システム
10 制御装置
11 期待値算出部
12 誤り抑制算出部
13 目標値推定部
20 量子計算機
21 量子回路
22 誤り抑制回路
500 コンピュータ
501 入力装置
502 表示装置
503 外部I/F
503a 記録媒体
504 通信I/F
505 プロセッサ
506 メモリ装置
507 バス
1 Quantum computing system 10 Control device 11 Expected value calculation unit 12 Error suppression calculation unit 13 Target value estimation unit 20 Quantum computer 21 Quantum circuit 22 Error suppression circuit 500 Computer 501 Input device 502 Display device 503 External I/F
503a Recording medium 504 Communication I/F
505 Processor 506 Memory device 507 Bus

Claims (7)

量子回路を用いて、仮想蒸留法における式の分子と分母の量子計算を交互に、または同時に複数回実行し、分子および分母の複数個の状態の期待値を算出する期待値算出部と、
得られた前記複数個の状態を誤り抑制回路に入力し、出力値を得る誤り抑制算出部と、
前記期待値の算出と前記出力値の取得とを繰り返し実行して、測定値を算出し、算出された測定値に基づいて、量子計算における目標値を推定する目標値推定部と、を備える、
制御装置。
An expectation value calculation unit that uses a quantum circuit to alternately or simultaneously perform quantum calculations on the numerator and denominator of the formula in the virtual distillation method multiple times to calculate expectation values of multiple states of the numerator and denominator;
an error suppression calculation unit that inputs the obtained plurality of states into an error suppression circuit and obtains an output value;
a target value estimation unit that calculates a measurement value by repeatedly calculating the expected value and obtaining the output value, and estimates a target value in quantum computing based on the calculated measurement value;
Control device.
前記誤り抑制算出部は、前記仮想蒸留法における前記分子の計算の際の前記誤り抑制回路に対して、多くの量子ビットに対する射影演算子から構築されたユニタリー演算子を使用して前記出力値を得る、
請求項1に記載の制御装置。
The error suppression calculation unit obtains the output value using a unitary operator constructed from a projection operator for many quantum bits for the error suppression circuit during calculation of the molecule in the virtual distillation method.
The control device according to claim 1 .
量子回路を用いて、仮想蒸留法における式の分子と分母の複数個の状態の期待値を算出する期待値算出部と、
得られた前記複数個の状態を誤り抑制回路に入力し、前記仮想蒸留法における前記分子の計算の際の前記誤り抑制回路に対して、多くの量子ビットに対する射影演算子から構築されたユニタリー演算子を使用して出力値を得る誤り抑制算出部と、
前記期待値の算出と前記出力値の取得とを繰り返し実行して、測定値を算出し、算出された測定値に基づいて、量子計算における目標値を推定する目標値推定部と、を備える、
制御装置。
an expectation calculation unit that calculates expectation values of a plurality of states of a numerator and a denominator of an equation in the virtual distillation method using a quantum circuit;
An error suppression calculation unit that inputs the obtained plurality of states into an error suppression circuit and obtains an output value using a unitary operator constructed from a projection operator for many quantum bits for the error suppression circuit when calculating the molecule in the virtual distillation method;
a target value estimation unit that calculates a measurement value by repeatedly calculating the expected value and obtaining the output value, and estimates a target value in quantum computing based on the calculated measurement value;
Control device.
コンピュータが実行する制御方法であって、
量子回路を用いて、仮想蒸留法における式の分子と分母の量子計算を交互に、または同時に複数回実行し、分子および分母の複数個の状態の期待値を算出するステップと、
得られた前記複数個の状態を誤り抑制回路に入力し、出力値を得るステップと、
前記期待値の算出と前記出力値の取得とを繰り返し実行して、測定値を算出し、算出された測定値に基づいて、量子計算における目標値を推定するステップと、を備える、
制御方法。
A computer-implemented control method comprising:
Using a quantum circuit, quantum calculations of the numerator and denominator of the formula in the virtual distillation method are performed alternately or simultaneously multiple times to calculate expectation values of multiple states of the numerator and denominator;
inputting the obtained plurality of states into an error suppression circuit to obtain an output value;
The method includes a step of repeatedly calculating the expected value and obtaining the output value to calculate a measurement value, and estimating a target value in quantum computing based on the calculated measurement value.
Control method.
コンピュータが実行する制御方法であって、
量子回路を用いて、仮想蒸留法における式の分子と分母の複数個の状態の期待値を算出するステップと、
得られた前記複数個の状態を誤り抑制回路に入力し、前記仮想蒸留法における前記分子の計算の際の前記誤り抑制回路に対して、多くの量子ビットに対する射影演算子から構築されたユニタリー演算子を使用して出力値を得るステップと、
前記期待値の算出と前記出力値の取得とを繰り返し実行して、測定値を算出し、算出された測定値に基づいて、量子計算における目標値を推定するステップと、を備える、
制御方法。
A computer-implemented control method comprising:
Calculating expectation values of a plurality of states of a numerator and a denominator of an equation in the virtual distillation method using a quantum circuit;
Inputting the obtained plurality of states into an error suppression circuit, and obtaining an output value using a unitary operator constructed from a projection operator for many quantum bits for the error suppression circuit during calculation of the molecule in the virtual distillation method;
The method includes a step of repeatedly calculating the expected value and obtaining the output value to calculate a measurement value, and estimating a target value in quantum computing based on the calculated measurement value.
Control method.
コンピュータを、請求項1または2に記載の制御装置における各部として機能させるためのプログラム。 A program for causing a computer to function as each part of the control device described in claim 1 or 2. コンピュータを、請求項3に記載の制御装置における各部として機能させるためのプログラム。 A program for causing a computer to function as each part of the control device described in claim 3.
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HUGGINS, William J et al.,Virtual Distillation for Quantum Error Mitigation,arXiv [online],2021年08月02日,[retrieved on 2023.01.06], <URL:https://arxiv.org/pdf/2011.07064.pdf>

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