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ノイズのある中規模量子計算機を用いた量子多体系の計測と制御

研究課題

研究課題/領域番号 21K03388
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分13010:数理物理および物性基礎関連
研究機関静岡大学

研究代表者

尾張 正樹  静岡大学, 情報学部, 准教授 (80723444)

研究分担者 丸山 耕司  大阪公立大学, 大学院理学研究科, 客員教授 (00425646)
加藤 豪  国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所小金井フロンティア研究センター, 室長 (20396188)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2024年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
キーワード量子情報 / 量子制御 / ランダムユニタリ / 量子疑似乱数 / t-design / 間接制御 / 量子多体系 / 量子コンピュータ / ユニタリ操作 / ランダムユニタリ変換 / 量子カオス / 量子計測 / NISQ
研究開始時の研究の概要

本研究では、『計測』と『制御』に関する2つの課題を解決することを目指す。まず、量子多体系の計測に対するNISQの有効性を示すために、【目標1-1】現実的な物理環境下にある量子多体系のシステム同定問題の解決、および【目標1-2】NISQを用いた高精度な量子多体系のシステム同定プロトコルの開発を行う。さらに、制御に対するNISQの有効性を示すために、【目標2-1】誤り耐性量子計算機を用いた量子多体系の最適制御プロトコルの開発、および、【目標2-2】NISQを用いた量子多体系の最適制御プロトコルの開発を行う。

研究実績の概要

昨年度までの研究により、1次元XX模型、横磁場イジング模型、XXX模型に対してスピン鎖に対して、端の1もしくは2量子ビットにランダムユニタリ演算をランダムな時刻で演算することで効率的にt-designが得られることが示された。この結果を踏まえて、次の2つの方向に研究を拡張した。まず、最初に昨年度のプロトコルから変更を加えた場合でもt-designに効率的に収束することを確認した。まず、ランダムユニタリ演算の演算時刻の間隔を固定した場合でも、多くの時間間隔で効率的にt-designに収束することを示した。さらにランダムユニタリ演算をHaar測度からサンプルするのではなく、離散的なユニタリ行列の集合からサンプルした場合でも効率的なt-designへの収束が確認された。特に、ユニタリ行列の集合のサイズを1として、ランダムなタイミングで固定されたユニタリ行列を演算する場合でも、t-designへの効率的な収束が観測された。
今年度は、量子多体系のダイナミックスの違いが、t-designへの収束の速さに及ぼす影響を明らかにすることを目指した。そのため、量子多体系のダイナミクスを量子セルオートマトンに単純化した。具体的には、1次元量子多体系のダイナミックスを、2層の2量子ビットユニタリ変換から構成される量子セルオートマトンで近似した。そして、量子セルオートマトンの固定された2量子ビットにランダムユニタリ変換を繰り替えし演算することでt-designを生成した。さらに、量子セルオートマトンを構成する2量子ビットユニタリ変換に演算子Schmidt分解を適用する事で、Schmidt係数とt-designへの収束の速さの関係を明らかにした。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ノイズのある中規模量子計算機を用いた間接制御により量子多体系の計測と制御を行う手法を開発することが本研究課題の目的である。既に量子多体系のハミルトニアンを完全に同定することができれば、間接量子制御により実現可能なユニタリ操作は特定されることが知られている。しかし、ユニタリ操作を具体的に実現するには、ハミルトニアンの詳細に依存して、特定のタイミングで、プローブ系に演算を施していく必要がある。一方、間接制御で量子多体ハミルトニアンの同定プロトコルもまた、非常にコストの高いものである。そのため、完全にハミルトニアンの詳細が分からなくても、間接制御で実行可能である情報処理を明らかにすることは、間接制御量子系の有用性を示すために重要である。このような考えから、当初の研究計画を少し変更して、ユニタリt-designの実現方法を開発
することから研究を進めている。昨年度までの研究により、1次元XX模型、横磁場イジング模型、XXX模型に対してスピン鎖に対して、端の1もしくは2量子ビットにランダムユニタリ演算をランダムな時刻で演算することで効率的にt-designが得られることが示された。今年度は主としてこの手法がより一般的な状況下で適応可能であることを示した。すなわち、演算時刻の間隔を固定したり、ランダムユニタリ演算を固定したユニタリ演算に変更しても、我々の手法は効率的にt-designに収束することが示された。また、量子多体系を量子セルオートマトンで単純化して近似する事で、様々な1次元量子多体系に対しても、同じ手法が適応可能であることを示した。このことは、一般的に1次元量子多体系のダイナミクスは、その一部のみに対する演算で効率的にt-designになるという事実が一般的に成立することを示している。

今後の研究の推進方策

昨年度の研究により、我々の提案した間接制御を用いた量子多体系上でのt-design生成手法は、Hamiltonianやプロトコルの詳細によらず効率的に収束することが示された。今年度は、この手法を量子多体系のHamiltonian同定プロトコルに用いる事を目指す。
以前、我々が提案した量子多体系の間接制御を用いHamiltonian同定プロトコルでは、途中でアクセス可能な部分系の測定と測定結果に依存したユニタリ演算を繰り返す必要があった。この操作は、Hamiltonianを量子多体系を最大エンタングル状態に変換することを目的としていた。今年度はまず最初に、上記の同定手法において、本研究で得られたt-design生成プロトコルを用い最大エンタングル状態を構築することで、プロトコルを単純化できることを示す。次に、以前の研究では量子多体系は環境系からのノイズを受けないと仮定していたが、上記の改良されたプロトコルをノイズの影響下でどれだけ有効に機能するかを解析する。まず、ノイズが既知の場合を考え、Hamitonianが同定可能であるかどうかを調べる。同定可能であると分かった場合には、さらにノイズがどの程度未知の場合でも、Hamitonianは同定可能であるのかを検証する。さらに、これらの問題が解決した場合には、Classical Shadowなどの他の量子推定プロトコルに対しても、本研究で得られたt-design生成法が有効に機能するかを検証していく。

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (27件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 1件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (21件) (うち国際学会 4件、 招待講演 2件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] A symmetry of potential function and non-relaxation theorems of heat flux in nonlinear lattice2023

    • 著者名/発表者名
      Yoshimura Kazuyuki、Kato Go、Doi Yusuke
    • 雑誌名

      Physica D: Nonlinear Phenomena

      巻: 446 ページ: 133638-133638

    • DOI

      10.1016/j.physd.2022.133638

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Asymmetric Quantum Multicast Network Coding: Asymmetric Optimal Cloning over Quantum Networks2022

    • 著者名/発表者名
      Hirota Yuichi、Owari Masaki
    • 雑誌名

      Applied Sciences

      巻: 12 号: 12 ページ: 6163-6163

    • DOI

      10.3390/app12126163

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Molecular Optimization for Nuclear Spin State Control via a Single Electron Spin Qubit by Optimal Microwave Pulses : Quantum Control of Molecular Spin Qubits2022

    • 著者名/発表者名
      Shibata Taiki、Yamamoto Satoru、Nakazawa Shigeaki、Lapasar Elham Hosseini、Sugisaki Kenji、Maruyama Koji、Toyota Kazuo、Shiomi Daisuke、Sato Kazunobu、Takui Takeji
    • 雑誌名

      Applied Magnetic Resonance

      巻: 53 号: 3-5 ページ: 777-796

    • DOI

      10.1007/s00723-021-01392-5

    • URL

      https://ocu-omu.repo.nii.ac.jp/records/2019623

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Single-Shot Secure Quantum Network Coding for General Multiple Unicast Network With Free One-Way Public Communication2021

    • 著者名/発表者名
      Kato Go、Owari Masaki、Hayashi Masahito
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Information Theory

      巻: 67 号: 7 ページ: 4564-4587

    • DOI

      10.1109/tit.2021.3078812

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Security of round-robin differential-phase-shift quantum-key-distribution protocol with correlated light sources2021

    • 著者名/発表者名
      Mizutani Akihiro、Kato Go
    • 雑誌名

      Physical Review A

      巻: 104 号: 6 ページ: 062611-062611

    • DOI

      10.1103/physreva.104.062611

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 間接制御によるVariational Quantum Eigensolverの実装法について2023

    • 著者名/発表者名
      阿南肇史, 中田芳史, 尾張正樹
    • 学会等名
      第48回 量子情報技術研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 量子セル・オートマトンを用いたユニタリt-design生成プロトコルの研究2023

    • 著者名/発表者名
      原七海,尾張正樹
    • 学会等名
      第21回情報学ワークショップ (Workshop on Informatics 2023, WiNF2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 量子画像状態の通信における盗聴方法の研究2023

    • 著者名/発表者名
      山本恭大,尾張正樹
    • 学会等名
      第21回情報学ワークショップ (Workshop on Informatics 2023, WiNF2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 間接制御を用いたユニタリt-designの研究2023

    • 著者名/発表者名
      夏目智輝, 尾張正樹
    • 学会等名
      第21回情報学ワークショップ (Workshop on Informatics 2023, WiNF2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 量子多体系における制御理論に基づくユニタリt-designの生成法について2023

    • 著者名/発表者名
      尾張正樹, 夏目智輝, 高三和晃, 手塚真樹, 中田芳史
    • 学会等名
      第49回量子情報技術研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 量子セル・オートマトンの関節制御によるユニタリt-designの生成2023

    • 著者名/発表者名
      原七海, 尾張正樹
    • 学会等名
      第49回量子情報技術研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 間接制御を用いたユニタリt-designの研究2023

    • 著者名/発表者名
      夏目智輝, 高三和晃, 手塚真樹, 中田芳史, 尾張正樹
    • 学会等名
      第49回量子情報技術研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 局所ホモダイン測定の実証実験2022

    • 著者名/発表者名
      Arora Devanshi, 加藤豪, 平野琢也, 尾張正樹,
    • 学会等名
      第46回 量子情報技術研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Local Homodyne/Heterodyne measurements2022

    • 著者名/発表者名
      Go Kato, Kiyoshi Tamaki, Masaki Owari, Koji Azuma
    • 学会等名
      第46回 量子情報技術研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] lambeqによる日本語の量子自然言語処理におけるrewrite ruleの提案と評価2022

    • 著者名/発表者名
      鈴木宙, 尾張正樹
    • 学会等名
      第20回情報学ワークショップ (Workshop on Informatics 2022, WiNF2022)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Concentration inequality for security analysis of finite-size QKD2022

    • 著者名/発表者名
      G. Kato
    • 学会等名
      Qcrypt2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Modified BB84 quantum key distribution protocol robust against side channels2022

    • 著者名/発表者名
      Margarida Pereira Guillermo Curr´as-Lorenzo Alvaro Navarrete Go Kato Marcos Curty Kiyoshi Tamaki
    • 学会等名
      Qcrypt2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 近似精度において最適な確率的量子コンパイラ2022

    • 著者名/発表者名
      秋笛清石 加藤豪 谷誠一郎
    • 学会等名
      第47回 量子情報技術研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Modified BB84 quantum key distribution protocol robust to source imperfections2022

    • 著者名/発表者名
      Margarida Pereira Guillermo Curr´as-Lorenzo Alvaro Navarrete Go Kato Marcos Curty Kiyoshi Tamaki
    • 学会等名
      第47回 量子情報技術研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 情報理論的完全性つき遠隔データ対一致判定プロトコル2022

    • 著者名/発表者名
      加藤 豪 藤原幹夫 鶴丸豊広
    • 学会等名
      2023 Symposium on Cryptography and Information Security
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 機械学習を用いたunitary t-designの識別2021

    • 著者名/発表者名
      藤井真博, 鈴木泰成, 中田芳史, 尾張正樹
    • 学会等名
      第44回量子情報技術研究会 (QIT44)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] OTOCを用いた量子回路の機械学習 (QIT44)2021

    • 著者名/発表者名
      沓澤伶昌,小林直也,藤井真博,中田芳史,鈴木泰成,尾張正樹
    • 学会等名
      第44回量子情報技術研究会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 有限温度の環境系に接する量子系のコヒーレント制御の下での変換性について2021

    • 著者名/発表者名
      佐藤優, 尾張正樹
    • 学会等名
      情報学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 量子コンピュータを用いた情報処理のための理論研究2021

    • 著者名/発表者名
      尾張正樹
    • 学会等名
      第23回高柳健次郎記念シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 鍵リレーの秘密ネットワーク符号に対する優位性 (QIT45)2021

    • 著者名/発表者名
      加藤 豪、藤原幹生、鶴丸豊広
    • 学会等名
      第45回量子情報技術研究会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Current Status of Quantum Information Processing Research and Challenges for Realization2021

    • 著者名/発表者名
      Go Kato
    • 学会等名
      The 8th International Symposium toward the Future of Advanced Researches in Shizuoka University
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [産業財産権] 測定装置、測定方法、およびプログラム2021

    • 発明者名
      加藤 豪、東浩司、玉木潔、尾張 正樹
    • 権利者名
      静岡大学、富山大学、 日本電信電話株式会社
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2021-129857
    • 出願年月日
      2021
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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