量子古典ハイブリッドアルゴリズムの実問題適用にむけた変分量子回路の表現能力の解析

Research Project

Project/Area Number	20J13955
Research Category	Grant-in-Aid for JSPS Fellows
Allocation Type	Single-year Grants
Section	国内
Review Section	Basic Section 13010:Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics-related
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	中西健東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)
Project Period (FY)	2020-04-24 – 2022-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help	¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000) Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords	量子コンピュータ / 量子ゲート分解 / 最適化
Outline of Research at the Start	本研究の目的は、NISQデバイスを用いた量子化学計算を実問題へ適用する場合に不可避な重要課題である「変分量子回路の表現能力の解析」を行うことで、量子古典ハイブリッドアルゴリズムにおける最適な変分量子回路の構成方法を確立することである。変分量子回路の出力量子状態が取りうる状態空間を評価し、変分量子回路のパラメータ最適化後の出力量子状態と求めたい量子状態との乖離を最小限に抑えられるような変分量子回路を提案できる手法の構築を目指す。
Outline of Annual Research Achievements	近年は量子コンピュータ実機を用いた計算を誰もが行えるようになった。量子コンピュータ実機上での計算は、用意した量子ビットにいくつかの量子ゲートを作用させることによって計算する。このとき、予め用意されていない量子ゲートを作用させたいときは、予め用意された1量子ビットゲートや2量子ビットゲートの組み合わせで表せるようにその量子ゲートを「分解」する必要がある。量子コンピュータ実機を用いる場合、一般に2量子ビットゲートを直接かけられる量子ビットのペアは量子ビットのコネクティビティによって制限されている。また、近年様々な物理構成で量子コンピュータが作られており、各物理構成によって、作りやすい2量子ビットゲートは異なり得る。さらに、一般に2量子ビットゲートは1量子ビットゲートに比べてノイズが大きいため、量子ゲートの分解においては、2量子ビットゲートの数がなるべく少なくなるようにしたい。これらを考慮して毎回量子ゲートの最適な分解を手計算で見つけるのは困難である。本研究は、各量子コンピュータの構成にとって、それぞれに最適な多量子ビットゲートの分解方法を探索することを目的とする。本研究では、2量子ビットゲートを適当に配置して1量子ビット回転ゲートを適切に挿入した変分量子回路を与えたときに、その変分パラメータを調整して目的のユニタリ回路を作る最適化アルゴリズムを考案した。そして、その最適化アルゴリズムをGPU上で実行可能なコードで実装した。さらに、この最適化アルゴリズムを用いて、実際に4量子ビットゲートの一種であるCCCZゲートを例に取り、分解方法を探索した。これによって、複数の条件に対して、それぞれ最適と思われるCCCZゲートの分解方法を発見した。
Research Progress Status	翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。