量子コンピュータのシミュレーション性能を劇的に向上させる「蒸留」限界を突破！ - 物理現象の局所化による情報の遮断を活用 -

【研究成果のポイント】


量子コンピュータ※１におけるシミュレーション性能を劇的に向上させる新しいアプローチを開発。
量子コンピュータを用いた量子シミュレーションにおいて、量子状態間のもつれ測定※２に基づいて「蒸留」と呼ばれる操作を行うと、冷却温度やノイズのような実験的な限界を破ることができる一方、測定回数が指数関数的に増大してしまうという問題を抱えていた。
本研究では、蒸留を局所的にのみ実行することで、従来手法と比べて測定回数を指数的に削減できることを示した。
本研究成果は、量子シミュレーションの実用化の重要な第一歩であり、未解明の量子多体系※３由来の現象の解明につながるものと期待される。


1. 概要
　大阪大学大学院基礎工学研究科/量子情報・量子生命研究センターの箱嶋秀昭 助教、NTTコンピュータ＆データサイエンス研究所の遠藤傑 准特別研究員、山本薫 研究員、中央大学の松崎雄一郎 准教授、東京大学大学院工学系研究科の吉岡信行 助教は、量子コンピュータにおけるシミュレーション性能を劇的に向上させる新しいアプローチを発表しました。この方法は、局所性※４と呼ばれる物理学の基本的な概念を量子シミュレーションの実用化に応用したものであり、未来の量子技術の実現を大きく前進させるものと期待されます。
　自然界の複雑な量子現象を解明するために、量子シミュレーションは重要な役割を果たします。しかし、現行の量子シミュレーションデバイスは、冷却温度の限界や環境からのノイズといった多くの実験的制約に直面しています。先行研究において、量子状態間にもつれ測定を実行し、実験的な限界を超える結果が得られる、蒸留と呼ばれる手法が提案されましたが、系のサイズが大きくなるにつれて測定回数が指数関数的に増大してしまうという問題を抱えていました。
　今回、研究グループは、着目する局所領域にのみ蒸留する「局所仮想純化法」という手法を提案し、クラスター性と呼ばれる、物理学における基本的な性質が成立するという条件のもとで、測定回数の問題が解決することを理論的に証明しました。本提案手法は、量子シミュレーション性能を劇的に向上させるとともに、量子シミュレーションの実用化への重用な一歩となるものと期待されます。
　本研究は、2024年８月２２日（米国東部夏時間）に米国科学雑誌『Physical Review Letters』のオンライン版に掲載されます。