ITS 編集部
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【コジーの今週気になるｄｘニュースvol2024027-01】 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、大阪大学、東京大学、中央大学、NTTが新たなアプローチを発表：＠ＤＩＭＥ
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 準特別研究員、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システム研究科の吉岡信行助教から、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が発表された。
この方法は、局所性（※）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る。
※ 局所性：ある地点で起きた出来事により、遠くの実験結果が見えることはない、性質というのこと。
研究の概要
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す。
先行研究において、量子状態中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たが、システムのサイズが大きくなる一方測定回数が指数
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」という手法を提案する。性質が成立するという条件のもとで、測定回数が解決することを理論的に証明した。
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要本研究は、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た。
研究の背景
量子力学は自然現象を最も基本的な理論であり、現代物理学問基盤としての役割だけでなく、半導体デバイス設計のような現代エレクトロニクスの基礎としても重要な役割を担っている
量子力学において複雑な現象は、従来のコンピュータではシミュレーションが困難であると知られており、複雑な現象を深く制御することのボトルネックになって
いる。徹底的に有効な手段と考えられているのが、量子力学に従って動作するデバイスの活用、すなわち量子シミュレーションだ。量子シミュレーションは、リチャード・P・ファインマン（※5）による量子コンピュータの提案の起源であるただでなく、現在の量子情報科学において中心的なトピックであり、物性物理学、統計物理学、量子化学、高エネルギー物理学など、複雑な量子力学的現象が現れる多くの分野への応用が期待されている
※ 5 アメリカの理論物理学者（1918～1988年）。量子電磁力学問発展に大きく貢献した業績により、シュウィンガー・朝永振一郎とともに、1965年にノーベル物理学賞を受賞。例えば、熱平衡状態・
非平衡ダイナミクス（ ※6）のシミュレーションにおいては、量子力学的な効果が大きく現れる場合、従来のコンピュータでは非常に困難と考えられ
ており、量子シミュレーションの応用が威力を発揮すると注目されています。 熱平衡状態・非平衡ダイナミクス：熱平衡状態とは巨視的に見て変化しない状態のこと。 非平衡ダイナミクスとは、量子力学基本原理であるシュレディンガー方程式に従った系の時間発展のこと。のコンピュータでシミュレーションするのは一般に難しいと考えられている。しかし
、これまでの量子デバイスには、実験的な問題があるためすべてのタスクを量子デバイス上で行うことが難しいという問題があった。
実験的な問題とは、いわば冷却温度の限界や環境からのノイズの影響のことを指す。この問題に対処するために、もつれ測定を利用した、量子状態の純度（※7）を仮想的に※7 量子状態の純度：量子状態がどれだけ
純粋状態に近いのかを示す指標のこと。状態・混合状態の二つがある。 純粋状態とは、一つの状態進行（波動関数）だけで表されるような状態のこと。ことを混合状態と呼ぶ。
※8 仮想冷却法・仮想蒸留法：もつれ測定を用いた、状態の冷却・ノイズ緩和の手法のこと
。発揮するはずが大規模なサイズの問題に対処できなくなってしまうという困難を抱えていました。
研究の内容
本研究グループは、局所性という物理学の基本概念を考察し、量子シミュレーションに必要なもつれ測定を広くではなく、着目する局所領域に限定する新しい手法「局所仮想化法」を提案した（アイコン）。熱平衡状態のように自然界において広く実現される状態では、局所密度密接に関連した概念である「クラスター
性」と呼ばれる性質が広く成り立つと信じられている。
は、遠く離れた２地点間での実験結果は相関を持たない、という性質のこと。 量子シミュレーションにより生成される状態がこのような性質を持っていれば、遠く離れた地点において蒸留により純度を上昇操作は、出力結果に何の影響も及ぼさないことになる
。 、従来の測定回数の指数関数的な増大の問題を解決できると期待できる。
今回の研究では、上記の期待が現実となるような理論的な条件を辞した。
具体的には、冷却やノイズ緩和タスクに局所仮想純化法が適用できるための条件、つまり局所的に制限された蒸留操作が数学的に正当化される条件を示した。
■本研究の成果が社会に与える影響（本研究成果の意義）本研究により、現実的な測定回数で量子シミュレーションの実験的な限界
を破ることが可能になった。今後の
方向性として
、トポロジカル秩序の検出や量子カオス性を特徴とする量の測定など、冷却とノイズ緩和以外への応用が考えられるこれらの量は先行研究において、もつれ測定を用いて検出する手法が提案されているため、本提案手法が適用可能なものと考えられる
。によって未解明の量子多体現象の理解が長く、広範囲の分野に貢献できるはずだ。
関連情報
https://group.ntt/jp/newsrelease/2024/08/23/240823a.html
