JP2018022446A - Quantum information processor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology allowing a trial wave function formed of a single arrangement state function to be efficiently generated.SOLUTION: A quantum information processor of an aspect of the present invention generates an N-electron-system spin eigenfunction in which the number of β spin electrons is N, of N unpaired electrons, as a trial wave function formed of a single arrangement state function. The quantum information processor includes N quantum bits, and a quantum arithmetic unit. The quantum arithmetic unit executes processing of (a) rotating the 2i-th quantum bit by a rotation angle θ=-π/4 while increasing a variable i from 1 to Nin increments of one, and (b) applying a control NOT calculation to the first quantum bit to the 2i-1-th quantum bit using the 2i-th quantum bit as the control reference.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本発明は、量子情報処理装置の技術に関する。   The present invention relates to a technology of a quantum information processing apparatus.

原子及び分子の物理的・化学的性質を支配するシュレーディンガー方程式を厳密に解くことは化学及び物理分野における究極の目標である。シュレーディンガー方程式を厳密に解き、微視的粒子の情報関数である電子的波動関数を求めることができれば、分子構造、化学反応経路、分光学的性質、分子物性等を正確に予測することができる。しかしながら、一電子系など特殊な場合を除き、シュレーディンガー方程式の厳密解析解は得ることができない。   Exactly solving the Schroedinger equation governing the physical and chemical properties of atoms and molecules is the ultimate goal in the chemical and physical fields. If the Schrodinger equation can be solved exactly and the electronic wave function, which is the information function of microscopic particles, can be obtained, the molecular structure, chemical reaction path, spectroscopic properties, molecular properties, etc. can be accurately predicted. . However, except for special cases such as one-electron systems, an exact analytical solution of the Schroedinger equation cannot be obtained.

FCI(Full Configuration Interaction)法が、変分法に基づき、与えられた基底関数が張る空間内でシュレーディンガー方程式の最適解を得る手法として知られている。このFCI法の計算量は、分子の電子数及び波動関数展開に用いる基底関数の数に指数関数的に依存する。このため、FCI法の計算は、現在でも窒素分子(N2)、CN分子等のような小さな分子についてしか報告されていない。 The FCI (Full Configuration Interaction) method is known as a technique for obtaining an optimal solution of the Schroedinger equation in a space formed by a given basis function based on a variational method. The calculation amount of the FCI method depends exponentially on the number of molecular electrons and the number of basis functions used for wave function expansion. For this reason, the calculation of the FCI method is still reported only for small molecules such as nitrogen molecules (N 2 ), CN molecules, and the like.

1982年にFeynmanは、量子力学の法則により支配される物理系、物質系のシミュレーションを古典コンピュータ(古典力学・電磁気学で動作する現代のコンピュータ)で行うには系のサイズに対して指数関数的時間が必要であるが、量子コンピュータ(量子力学の法則を演算原理とするコンピュータ)を用いることで効率的にシミュレーションができると指摘した。2005年に、Aspuru−Guzikらは、量子コンピュータを用いることによって、FCI計算が効率的に行えるアルゴリズムを提案した(非特許文献1)。このアルゴリズムの高速化の起源は量子位相推定アルゴリズムにあり、古典コンピュータでは指数関数時間がかかる計算を多項式時間内で行えることが示されている。   In 1982, Feynman was able to simulate physical and matter systems governed by the laws of quantum mechanics on a classical computer (a modern computer operating in classical mechanics / electromagnetism). Although time is required, he pointed out that the simulation can be done efficiently by using a quantum computer (a computer whose principle is the principle of quantum mechanics). In 2005, Aspuru-Guzik et al. Proposed an algorithm that can perform FCI calculation efficiently by using a quantum computer (Non-patent Document 1). The speedup of this algorithm originates in the quantum phase estimation algorithm, and it has been shown that calculations that require exponential time can be performed in polynomial time in a classical computer.

量子位相推定アルゴリズムの成功確率は、計算を行うために用意する試行波動関数と、求めたい答えであるFCI波動関数の重なりの二乗に比例する。そのため、FCI波動関数と大きな重なりを持つ試行波動関数を効率的に生成する手法の開発が重要である。一般的な閉殻一重項分子では、単一のスレーター行列式からなるHF(Hartree−Fock)波動関数が、FCI波動関数と大きな重なりを持ち、良い試行波動関数となることが知られている。2010年には、HF波動関数を試行波動関数として用い、量子位相推定アルゴリズムに基づいた水素分子のFCI/STO−3G計算の実証実験が量子光学系(非特許文献2)及び核磁気共鳴法(非特許文献3)を用いて報告されている。   The success probability of the quantum phase estimation algorithm is proportional to the square of the overlap of the trial wave function prepared for calculation and the FCI wave function that is the answer to be obtained. Therefore, it is important to develop a method for efficiently generating a trial wave function having a large overlap with the FCI wave function. In a general closed-shell singlet molecule, it is known that an HF (Hartley-Fock) wave function having a single slater determinant has a large overlap with the FCI wave function and is a good trial wave function. In 2010, the HF wave function was used as a trial wave function, and a demonstration experiment of FCI / STO-3G calculation of a hydrogen molecule based on a quantum phase estimation algorithm was carried out with a quantum optical system (Non-patent Document 2) and a nuclear magnetic resonance method ( Non-patent document 3).

これまで、HF波動関数を出発点として試行波動関数を改善する手法として、断熱的状態生成法(Adiabatic State Preparation, ASP法)が提案されている。しかしながら、ASP法は計算コストが高く、より簡便に開殻分子の良い試行波動関数を生成する手法の開発が望まれている。   Up to now, an adiabatic state preparation method (ASP method) has been proposed as a method for improving the trial wave function starting from the HF wave function. However, the ASP method has a high calculation cost, and development of a method for generating a trial wave function having a good open-shell molecule more easily is desired.

Aspuru−Guzik, A., Dutoi, A. D., Love, P. & Head−Gordon, M. Simulated quantum computation of molecular energies. Science 309, 1704−1707 (2005).Aspuru-Guzik, A., Dutoi, A. D., Love, P. & Head-Gordon, M. Simulated quantum computation of molecular energies. Science 309, 1704-1707 (2005). Lanyon, B. P.; Whitfield, J. D.; Gillett, G. G.; Goggin, M. E.; Almeida, M. P.; Kassal, I.; Biamonte, J. D.; Mohseni, M.; Powell, B. J.; Barbieri, M.; Aspuru−Guzik, A.; White, A. G. Towards quantum chemistry on a quantum computer. Nature Chemistry 2, 106−111 (2010).Lanyon, BP; Whitfield, JD; Gillett, GG; Goggin, ME; Almeida, MP; Kassal, I .; Biamonte, JD; Mohseni, M .; Powell, BJ; Barbieri, M .; Aspuru-Guzik, A .; White, AG Towards quantum chemistry on a quantum computer.Nature Chemistry 2, 106−111 (2010). Du, J.; Xu, N.; Peng, X.; Wang, P.; Wu, S.; Lu, D. NMR implementation of a molecular hydrogen quantum simulation with adiabatic state preparation. Physical Review Letters 104, 030502 (2010).Du, J .; Xu, N .; Peng, X .; Wang, P .; Wu, S .; Lu, D. NMR implementation of a molecular hydrogen quantum simulation with adiabatic state preparation.Physical Review Letters 104, 030502 (2010 ).

2005年に発表された量子コンピュータに基づくFCI計算では、波動関数の情報は直接マッピング法を用いて量子ビットに保存される。直接マッピング法では、スピン軌道を電子が占有していれば量子ビットは|1>、電子が占有していなければ量子ビットは|0>とする、スピン軌道の占有数を量子ビットにマッピングする手法である。分子の電子ハミルトニアンは第二量子化に基づき、生成・消滅演算子を用いて以下の数1のように記述される。   In FCI calculations based on quantum computers published in 2005, wave function information is stored in qubits using a direct mapping method. In the direct mapping method, the qubit is | 1> if electrons are occupied in the spin orbit, and the qubit is | 0> if the electrons are not occupied. It is. The electronic Hamiltonian of a molecule is described by the following equation 1 using the generation and annihilation operators based on the second quantization.

直接マッピング法では、スピン軌道の電子占有数を量子ビットに保存する。ただし、電子がフェルミ粒子であることに由来する波動関数の反対称性を満足させるためにはJordan−Wigner変換を適用することになり、その生成・消滅演算子は以下の数2及び数3のように表現される。 In the direct mapping method, the number of electrons occupied by spin orbits is stored in qubits. However, in order to satisfy the anti-symmetry of the wave function derived from the fact that the electrons are fermions, the Jordan-Wigner transformation is applied, and the generation / annihilation operators are expressed by the following equations 2 and 3. It is expressed as follows.

上記数1で示される電子ハミルトニアンは、多くの非可換な演算子を含んでいるため、波動関数の時間発展をシミュレートするには、一般にTrotter−Suzuki分解が適用される。 Since the electronic Hamiltonian represented by the above equation 1 includes many non-commutative operators, the Trotter-Suzuki decomposition is generally applied to simulate the time evolution of the wave function.

ここで、直接マッピング法、第二量子化、及び量子位相推定アルゴリズムに基づきFCI計算を行う量子回路は、スピン軌道の数をNorbとすると、最大でO(Norb 11)の演算時間がかかる(経験的にはO(Norb 9)の演算時間である)。 Here, a quantum circuit that performs FCI calculation based on the direct mapping method, the second quantization, and the quantum phase estimation algorithm takes a maximum O (N orb 11 ) operation time when the number of spin orbits is N orb . (Experience is O (N orb 9 ) calculation time).

また、量子位相推定に基づくFCI計算を物理的、化学的に重要な系に適用するには、真の波動関数と大きな重なりを持つ試行波動関数Ψ0を効率的に生成する手法の開発が重要である。この問題は、不対電子としてβスピンを含むような開殻分子で特に重要である。なぜなら、開殻分子のFCI波動関数は強い多配置性を持ち、HF波動関数との重なりはβスピンの数(Nβ)に対して指数関数的に小さくなるからである。このような場合、HF波動関数を試行波動関数として用い、量子位相推定に基づくFCI計算を行うと、指数関数回の繰り返し計算を行うことになるため、量子コンピュータによる高速化の利点は失われてしまう。 In addition, in order to apply FCI calculation based on quantum phase estimation to physically and chemically important systems, it is important to develop a method that efficiently generates a trial wave function Ψ 0 that has a large overlap with the true wave function. It is. This problem is particularly important for open-shell molecules that contain β-spin as an unpaired electron. This is because the FCI wave function of open-shell molecules has a strong multi-configuration, and the overlap with the HF wave function becomes exponentially smaller with respect to the number of β spins (N β ). In such a case, if the HF wave function is used as the trial wave function and the FCI calculation based on the quantum phase estimation is performed, the exponential number of iterations are repeated. End up.

開殻分子において、FCI波動関数と大きな重なりを持ちうる試行波動関数として、電子スピン演算子SzおよびS2の同時固有関数(以下、スピン固有関数と表記する)である配置状態関数がある。配置状態関数は、不対電子数に対して指数関数的な数のスレーター行列式の線形結合で表わされる。そのため、一般的な古典コンピュータによる処理では、この配置状態関数の準備に、指数関数オーダーの演算時間がかかってしまう。 As a trial wave function that can have a large overlap with the FCI wave function in an open-shell molecule, there is an arrangement state function that is a simultaneous eigenfunction of electron spin operators S z and S 2 (hereinafter referred to as a spin eigenfunction). The configuration state function is represented by a linear combination of an exponential number of Slater determinants with respect to the number of unpaired electrons. For this reason, in processing by a general classical computer, it takes time to calculate an exponential function to prepare the arrangement state function.

本発明は、一側面では、このような実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、単一の配置状態関数からなる試行波動関数を効率的に生成することを可能にする技術を提供することである。   In one aspect, the present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide a technique capable of efficiently generating a trial wave function including a single arrangement state function. It is to be.

本発明は、上述した課題を解決するために、以下の構成を採用する。   The present invention employs the following configuration in order to solve the above-described problems.

すなわち、本発明の一側面に係る量子情報処理装置は、単一の配置状態関数からなる試行波動関数として、N個の不対電子のうちβスピン電子がNβ個であるN電子系のスピン固有関数を生成する量子情報処理装置であって、N個の量子ビットと、変数iを1からNβまで1ずつインクリメントしながら、(ア)2i番目の量子ビットに対して回転角θ=−π/4の回転を行い、(イ)2i番目の量子ビットをコントロールビットとして、1番目から2i−1番目までの量子ビットに対して制御NOT演算を行い、これらの処理を実行する量子演算ユニットと、を備える。当該構成によれば、単一の配置状態関数からなる試行波動関数としてのN電子系のスピン固有関数を、O(Nβ 2)の多項式演算時間内で生成することができる。 That is, the quantum information processing device according to one aspect of the present invention provides an N-electron spin in which N β electrons are N β of N unpaired electrons as a trial wave function including a single arrangement state function. a quantum information processing apparatus for generating an eigenfunction, and N qubits, while incrementing by one the variable i from 1 to N beta, the rotation angle with respect to (a) 2i th qubit theta = - a quantum operation unit that performs π / 4 rotation, (a) performs a control NOT operation on the 1st to 2i−1 qubits using the 2i-th qubit as a control bit, and executes these processes And comprising. According to this configuration, a spin eigenfunction of an N electron system as a trial wave function composed of a single arrangement state function can be generated within a polynomial operation time of O (N β 2 ).

なお、上記各形態に係る量子情報処理装置の別の形態として、以上の各構成を実現する情報処理方法であってもよいし、プログラムであってもよいし、このようなプログラムを記録したコンピュータ、その他装置、機械等が読み取り可能な記憶媒体であってもよい。ここで、コンピュータ等が読み取り可能な記録媒体とは、プログラム等の情報を、電気的、磁気的、光学的、機械的、又は、化学的作用によって蓄積する媒体である。   In addition, as another form of the quantum information processing apparatus according to each of the above forms, an information processing method for realizing each of the above configurations, a program, or a computer recording such a program Further, it may be a storage medium that can be read by other devices, machines and the like. Here, the computer-readable recording medium is a medium that stores information such as programs by electrical, magnetic, optical, mechanical, or chemical action.

例えば、本発明の一側面に係る量子情報処理方法は、量子コンピュータ、又は量子コンピュータの処理をシミュレーションすることを可能にする古典コンピュータが、(ア)2i番目の量子ビットに対して回転角θ=−π/4の回転を行う処理と、(イ)2i番目の量子ビットをコントロールビットとして、1番目から2i−1番目までの量子ビットに対してCNOT演算を行う処理とを、変数iを1からNβまで1ずつインクリメントしながら繰り返し実行することによって、単一の配置状態関数からなる試行波動関数として、N個の不対電子のうちβスピン電子がNβ個であるN電子系のスピン固有関数を生成する情報処理方法である。 For example, in the quantum information processing method according to one aspect of the present invention, a quantum computer or a classical computer that enables simulation of a quantum computer can perform (a) a rotation angle θ = A process of performing a rotation of −π / 4, and (a) a process of performing a CNOT operation on the first to 2i−1 qubits using the 2i-th qubit as a control bit, and setting the variable i to 1 To N β by incrementing by 1 as a trial wave function consisting of a single configuration state function, an N-electron spin having N β electrons out of N unpaired electrons. This is an information processing method for generating an eigenfunction.

また、例えば、本発明の一側面に係る量子情報処理プログラムは、量子コンピュータ、又は量子コンピュータの処理をシミュレーションすることを可能にする古典コンピュータに、(ア)2i番目の量子ビットに対して回転角θ=−π/4の回転を行う処理と、(イ)2i番目の量子ビットをコントロールビットとして、1番目から2i−1番目までの量子ビットに対してCNOT演算を行う処理と、変数iを1からNβまで1ずつインクリメントしながら繰り返し実行させることによって、単一の配置状態関数からなる試行波動関数として、N個の不対電子のうちβスピン電子がNβ個であるN電子系のスピン固有関数を生成させるためのプログラムである。 In addition, for example, a quantum information processing program according to one aspect of the present invention provides a quantum computer or a classical computer that can simulate processing of the quantum computer by (a) a rotation angle with respect to the 2i-th qubit. a process of performing rotation of θ = −π / 4, (a) a process of performing a CNOT operation on the first to 2i−1 qubits using the 2i-th qubit as a control bit, and a variable i By repeatedly executing it while incrementing from 1 to N β by one, as a trial wave function consisting of a single configuration state function, an N-electron system in which N β electrons are N β electrons out of N unpaired electrons A program for generating a spin eigenfunction.

本発明によれば、単一の配置状態関数からなる試行波動関数を効率的に生成することができる。   According to the present invention, a trial wave function including a single arrangement state function can be efficiently generated.

図1は、配置状態関数の一例を示す。FIG. 1 shows an example of an arrangement state function. 図2は、スピン量子数と電子の数との関係を示す分岐図である。FIG. 2 is a branch diagram illustrating the relationship between the spin quantum number and the number of electrons. 図3は、図2において、電子の数が6となり、かつスピン量子数Sが1を与える9つの経路を示す。FIG. 3 shows nine paths in which the number of electrons is 6 and the spin quantum number S is 1 in FIG. 図4は、6電子系のスピンモデルを示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a six-electron spin model. 図5は、図2における異なる経路が同一の電子構造を表わす例を示す。FIG. 5 shows an example in which the different paths in FIG. 2 represent the same electronic structure. 図6は、本実施形態に係る量子コンピュータ(量子情報処理装置)の一例を示す。FIG. 6 shows an example of a quantum computer (quantum information processing apparatus) according to the present embodiment. 図7は、本実施形態に係る、単一の配置状態関数からなる試行波動関数を生成する処理手順の一例を示す。FIG. 7 shows an example of a processing procedure for generating a trial wave function including a single arrangement state function according to the present embodiment. 図8は、図7で示す処理を実行可能な量子回路の一例を示す。FIG. 8 shows an example of a quantum circuit that can execute the processing shown in FIG. 図9は、数値計算例に利用した水素原子のクラスタを示す。FIG. 9 shows a cluster of hydrogen atoms used in the numerical calculation example.

以下、本発明の一側面に係る実施の形態(以下、「本実施形態」とも表記する)を、図面に基づいて説明する。ただし、以下で説明する本実施形態は、あらゆる点において本発明の例示に過ぎず、その範囲を限定しようとするものではない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。つまり、本発明の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。なお、本実施形態において登場するデータを自然言語により説明しているが、より具体的には、コンピュータが認識可能な疑似言語、コマンド、パラメータ、マシン語等で指定される。   Hereinafter, an embodiment according to an aspect of the present invention (hereinafter, also referred to as “this embodiment”) will be described with reference to the drawings. However, the present embodiment described below is merely an example of the present invention in all points, and is not intended to limit the scope thereof. It goes without saying that various improvements and modifications can be made without departing from the scope of the present invention. That is, in implementing the present invention, a specific configuration according to the embodiment may be adopted as appropriate. Although data appearing in this embodiment is described in a natural language, more specifically, it is specified by a pseudo language, a command, a parameter, a machine language, or the like that can be recognized by a computer.

[配置状態関数の表現方法]
まず、図1を用いて、配置状態関数の表現方法について説明する。図1に示すΨCSFは、1つの配置状態関数(不対電子の数N=4、スピン量子数S=0、磁気量子数Ms=0)からなる波動関数を表わし、丸カッコ内に示す配置が1つのスレーター行列式に対応する。また、丸カッコ内の横線は分子軌道を表わし、上向き及び下向きの矢印はそれぞれスピン座標がα及びβの電子を表わす。
[Method of expressing arrangement state function]
First, a method for expressing an arrangement state function will be described with reference to FIG. Ψ CSF shown in FIG. 1 represents a wave function composed of one arrangement state function (number of unpaired electrons N = 4, spin quantum number S = 0, magnetic quantum number M s = 0), and is shown in parentheses. The arrangement corresponds to one slater determinant. The horizontal lines in parentheses indicate molecular orbitals, and the upward and downward arrows indicate electrons whose spin coordinates are α and β, respectively.

量子化学計算において、分子の波動関数は、分子軌道で展開されたスレーター行列式の線形結合で表わされる。量子コンピュータによる量子化学計算では、スピン軌道を量子ビットに対応させ、そのスピン軌道を電子が占有していれば量子ビットは|1>、非占有であれば|0>とする直接マッピング法(DM法)が一般的に用いられる。   In quantum chemistry calculations, the wave function of a molecule is represented by a linear combination of Slater determinants developed in molecular orbitals. In quantum chemistry calculations by a quantum computer, a direct mapping method (DM) in which a spin orbit corresponds to a qubit, and if the spin orbit is occupied by an electron, the quantum bit is | 1> and if not occupied, | 0> is assumed. Method) is generally used.

しかしながら、図1に例示されるように、配置状態関数は、α軌道又はβ軌道のどちらか一方のみを一つの電子が占有する分子軌道(一電子占有軌道)でのみ電子配列の異なるスレーター行列式の線形結合で記述される。すなわち、二電子占有軌道及び非占有軌道の電子配列は全てのスレーター行列式で同一である。したがって、配置状態関数として、スピン固有関数を構築するためには、一電子占有軌道を占有する電子のスピン座標のみ異なるスレーター行列式を適切に線形結合すればよい。   However, as illustrated in FIG. 1, the configuration state function is a Slater determinant having a different electron arrangement only in a molecular orbital (one-electron occupied orbital) in which one electron occupies only one of the α orbital or β orbital. It is described by a linear combination of That is, the electron arrangement of the two-electron occupied orbitals and the unoccupied orbitals is the same in all Slater determinants. Therefore, in order to construct a spin eigenfunction as an arrangement state function, a slater determinant that differs only in the spin coordinates of electrons that occupy one electron occupation orbit may be appropriately linearly combined.

つまり、配置状態関数を生成するには、一電子占有軌道のみ着目すればよい。そこで、本実施形態では、波動関数の情報(スピン固有関数)を量子ビット(後述する論理量子ビット10)に埋め込む手法として、一電子占有軌道を占有している電子のスピン座標がαのときは|0>、βのときは|1>とするスピン座標マッピング法(SCM法)を用いる。   That is, in order to generate the arrangement state function, it is only necessary to focus on one electron occupation orbit. Therefore, in this embodiment, as a method of embedding wave function information (spin eigenfunction) in a qubit (logical qubit 10 described later), when the spin coordinate of an electron occupying one electron occupation orbit is α. When | 0> and β, a spin coordinate mapping method (SCM method) of | 1> is used.

量子位相推定を行うためには、波動関数を直接マッピング法で表現し直す必要がある。スピン座標マッピング法における一電子占有軌道の表現は、直接マッピング法における一電子占有軌道内のβスピン軌道の表現と一致していることに注目する。一方、直接マッピング法における一電子占有軌道内のαスピン軌道の表現は、スピン座標マッピング法における表現の|0>と|1>とを入れ替えた表現と一致している。従って、直接マッピング法における一電子占有軌道のβスピン軌道に対応する量子ビットをスピン軌道マッピング法に用いることができる。また、直接マッピング法における一電子占有軌道のαスピン軌道は、|1>に初期化した量子ビットに対する、対応するβスピン軌道を表わす量子ビットをコントロールビットとした制御NOT(CNOT)演算で生成することができる。   In order to perform quantum phase estimation, it is necessary to re-express the wave function by the direct mapping method. Note that the one-electron occupied orbital representation in the spin coordinate mapping method is consistent with the β-spin orbital representation in the one-electron occupied orbital in the direct mapping method. On the other hand, the expression of the α spin orbit in one electron occupation orbit in the direct mapping method is in agreement with the expression in which | 0> and | 1> in the spin coordinate mapping method are interchanged. Therefore, a qubit corresponding to the β spin orbit of one electron occupation orbit in the direct mapping method can be used for the spin orbit mapping method. Further, the α spin orbit of one electron occupation orbit in the direct mapping method is generated by a control NOT (CNOT) operation using a qubit representing the corresponding β spin orbit as a control bit for the qubit initialized to | 1>. be able to.

なお、量子位相推定とは、量子コンピュータを用いて、ユニタリー演算子Uの固有値を位相φ(0≦φ<1)として読み出す手法である。量子位相推定によりFCI計算を行うには、U=−iHt/hとして、以下の数4に示すような演算を行う。   The quantum phase estimation is a method of reading the eigenvalue of the unitary operator U as the phase φ (0 ≦ φ <1) using a quantum computer. In order to perform FCI calculation by quantum phase estimation, the calculation shown in the following Equation 4 is performed with U = −iHt / h.

ここで、Hは系のハミルトニアン、Ψは波動関数、Eはエネルギー固有値である。φは量子コンピュータによって決定する位相であり、j個の量子ビットを用い、二進数で0.φ1φ2・・・φjと表わされる。Ψがハミルトニアンの固有関数となる、真の波動関数であれば量子位相推定は決定的に行えるが、一般に真の波動関数を準備することは困難であるので、試行波動関数を用いて量子位相推定を行う。この場合、量子位相推定は確率的になり、その成功確率は試行波動関数と真の波動関数の重なりの二乗に比例する。 Here, H is a Hamiltonian of the system, Ψ is a wave function, and E is an energy eigenvalue. φ is a phase determined by the quantum computer, uses j qubits, and is 0. φ 1 φ 2 ... φ j If Ψ is a true wave function that is an eigenfunction of Hamiltonian, quantum phase estimation can be performed deterministically. However, since it is generally difficult to prepare a true wave function, quantum phase estimation is performed using a trial wave function. I do. In this case, the quantum phase estimation is stochastic, and the success probability is proportional to the square of the overlap of the trial wave function and the true wave function.

また、CNOT演算とは、量子コンピュータにおける基本的な二量子ビット演算の一つである。具体的には、CNOT演算では、片方の量子ビットをコントロールビット、もう片方の量子ビットをターゲットビットとして、コントロール量子ビットが|0>のときはターゲット量子ビットに対して何も操作をせず、コントロール量子ビットが|1>のときはターゲット量子ビットに対してNOT演算を行う。最初の量子ビットをコントロールビット、後ろの量子ビットをターゲットビットとした二量子ビットから成る一般的な状態に対してCNOT演算を行うと、以下の数5のように量子状態は変化する。数5が一般的に知られたCNOT演算であるが、コントロール量子ビットが|1>のときはターゲット量子ビットに対して何も操作をせず、コントロール量子ビットが|0>のときはターゲット量子ビットに対してNOT演算を行う二量子ビット演算も同様にCNOT演算と呼ぶ。   The CNOT operation is one of basic two qubit operations in a quantum computer. Specifically, in the CNOT operation, one qubit is a control bit, the other qubit is a target bit, and when the control qubit is | 0>, no operation is performed on the target qubit, When the control qubit is | 1>, a NOT operation is performed on the target qubit. When a CNOT operation is performed on a general state composed of two qubits with the first qubit as the control bit and the subsequent qubit as the target bit, the quantum state changes as shown in Equation 5 below. Equation 5 is a commonly known CNOT operation. When the control qubit is | 1>, no operation is performed on the target qubit, and when the control qubit is | 0>, the target quantum A two-qubit operation that performs a NOT operation on a bit is also called a CNOT operation.

[角運動量の合成則に基づいたスピン固有関数の生成方法]
次に、角運動量の合成則に基づいたスピン固有関数の生成方法について説明する。(k+1)電子系のスピン固有関数は、角運動量の合成則から導出された以下の数6及び数7を用いて、k電子系のスピン固有関数に1個の電子スピン角運動量を合成することで生成することができる。ここでは、磁気量子数Ms=スピン量子数Sとなるスピン固有関数に注目する。非相対論的シュレーディンガー方程式では全エネルギーは磁気量子数Msに依存しないため、磁気量子数Ms=スピン量子数Sと限定しても一般性は失われない。
[Method of generating spin eigenfunctions based on angular momentum synthesis]
Next, a method for generating a spin eigenfunction based on a synthesis rule of angular momentum will be described. The spin eigenfunction of the (k + 1) electron system is to synthesize one electron spin angular momentum into the spin eigenfunction of the k electron system using the following equations 6 and 7 derived from the angular momentum synthesis rule. Can be generated. Here, attention is paid to a spin eigenfunction where the magnetic quantum number M s = spin quantum number S. For nonrelativistic Schlesinger over all energies in the Staudinger equation does not depend on the magnetic quantum number M s, generality is not lost even if only the magnetic quantum number M s = spin quantum number S.

ここで、|Ψ(k,S,S)>は、k電子系(不対電子がk個)のスピン量子数がS、磁気量子数Ms=Sのスピン固有関数である。また、|α>および|β>はそれぞれ以下の数8及び数9で定義される1電子系のスピン固有関数である。 Here, | Ψ (k, S, S)> is a spin eigenfunction of a k-electron system (k unpaired electrons) having a spin quantum number S and a magnetic quantum number M s = S. Further, | α> and | β> are spin eigenfunctions of a one-electron system defined by the following equations 8 and 9, respectively.

これらの式より、|Ψ(k,S,S)>と|Ψ(k,S,S−1)>とを求めることができれば、(k+1)電子系のスピン固有関数を生成することができる。また、詳細は後述するが、スピン量子数Sが1/2の場合には、スピン座標マッピング法を用いると、スピン固有関数|Ψ(k,S=1/2,Ms=−1/2)>は、|Ψ(k,S=1/2,Ms=+1/2)>から簡単な量子操作で生成することができる。そのため、上記数6及び数7を繰り返し用いることで、任意の電子数のスピン固有関数を逐次生成することができる。 If | ψ (k, S, S)> and | ψ (k, S, S−1)> can be obtained from these equations, a spin eigenfunction of the (k + 1) electron system can be generated. . Although details will be described later, when the spin quantum number S is ½, using the spin coordinate mapping method, the spin eigenfunction | Ψ (k, S = 1/2, M s = −1 / 2). )> Can be generated from | Ψ (k, S = 1/2, M s = + 1/2)> by a simple quantum operation. Therefore, the spin eigenfunction having an arbitrary number of electrons can be sequentially generated by repeatedly using the above equations 6 and 7.

次に、図2及び図3を用いて、角運動量を合成する順序とスピン固有関数との関係について説明する。図2は、スピン量子数と電子の数との関係を示す分岐図である。また、図3は、図2において電子の数が6となり、かつスピン量子数Sが1となる9つの経路を示す。スピン固有関数は、角運動量を合成する順序によって特徴付けられる。図2に示す分岐図における1つの経路が1つのスピン固有関数に対応する。   Next, the relationship between the order of synthesizing angular momentum and the spin eigenfunction will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a branch diagram illustrating the relationship between the spin quantum number and the number of electrons. FIG. 3 shows nine paths in which the number of electrons is 6 and the spin quantum number S is 1 in FIG. The spin eigenfunction is characterized by the order in which the angular momentum is synthesized. One path in the branch diagram shown in FIG. 2 corresponds to one spin eigenfunction.

頂点(丸印)に記載の数字は、対応する電子の数Nとスピン量子数Sとを有するスピン固有関数の数を表わし、原点から出発してその頂点に到達することが可能な経路数と一致する。頂点から右上に延びる線は、1個の電子スピン角運動量をスピン固有関数に合成したときにスピン量子数が1/2だけ増加するケースに対応する。一方、頂点から右下に延びる線は、1個の電子スピン角運動量をスピン固有関数に合成したときにスピン量子数が1/2だけ減少するケースに対応する。なお、例えば、図3に例示されるように、電子の数Nが6及びスピン量子数Sが1である頂点に到達する独立な経路は9つある。すなわち、電子の数Nが6及びスピン量子数Sが1となるスピン固有関数は9つ存在する。   The numbers described at the vertices (circles) represent the number of spin eigenfunctions having the corresponding number of electrons N and the spin quantum number S, and the number of paths that can reach the vertex starting from the origin. Match. The line extending from the apex to the upper right corresponds to the case where the spin quantum number increases by ½ when one electron spin angular momentum is synthesized into a spin eigenfunction. On the other hand, the line extending from the apex to the lower right corresponds to a case where the spin quantum number decreases by ½ when one electron spin angular momentum is synthesized into a spin eigenfunction. For example, as illustrated in FIG. 3, there are nine independent paths that reach the apex where the number of electrons N is 6 and the spin quantum number S is 1. That is, there are nine spin eigenfunctions where the number of electrons N is 6 and the spin quantum number S is 1.

次に、図4及び図5を用いて、角運動量を合成する順序とスピンサイトの番号付けとの関係について説明する。図4は、6電子系のスピンモデルを例示する模式図である。図5は、図2の分岐図上における異なる経路が同一の電子構造を表わす例を示す。ここでは、角運動量合成則を用いてスピン固有関数を生成する過程の具体例として、図3に示す6電子スピンからなる三重項状態(S=1)を採り上げる。図3中において、矢印は電子スピンを表わし、その向きはスピン配置を模式的に示す。2つの矢印が同方向を向いている場合は、その2電子間に強磁性的相互作用が、逆方向を向いている場合には2電子間に反強磁性的相互作用が働いていることを示す。   Next, the relationship between the order of synthesizing the angular momentum and the spin site numbering will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a schematic view illustrating a six-electron spin model. FIG. 5 shows an example in which different paths on the branch diagram of FIG. 2 represent the same electronic structure. Here, as a specific example of the process of generating the spin eigenfunction using the angular momentum synthesis rule, the triplet state (S = 1) composed of 6 electron spins shown in FIG. 3 is taken up. In FIG. 3, an arrow represents an electron spin, and its direction schematically shows the spin arrangement. If the two arrows are pointing in the same direction, a ferromagnetic interaction is acting between the two electrons, and if the two arrows are pointing in the opposite direction, an antiferromagnetic interaction is acting between the two electrons. Show.

図4に例示した6電子系のスピン固有関数を生成する際には、スピンサイトの番号付けは任意の行うことができる。そのため、スピンサイトの番号付けを適切に行うことで、図5に例示するように分岐図上における異なる経路が同一の電子構造を表わすようにすることができる。図5には、上記図3で例示した頂点に到達する異なる3つの経路に対応するスピンサイトの番号付けの一例を示す。このことから、分岐図上における可能な経路のうちのどれか1つの経路についてスピン固有関数を生成することができれば、その経路におけるスピン固有関数生成順序に対応するようにスピンサイトの番号付けを行うことで、近似的な電子スピン構造が既知である開殻分子において、真の波動関数と大きな重なりを持つスピン固有関数を生成することができる。   When the 6-electron spin eigenfunction illustrated in FIG. 4 is generated, spin site numbering can be arbitrarily performed. Therefore, by appropriately numbering the spin sites, different paths on the branch diagram can represent the same electronic structure as illustrated in FIG. FIG. 5 shows an example of the numbering of spin sites corresponding to three different paths that reach the vertex illustrated in FIG. From this, if the spin eigenfunction can be generated for any one of the possible paths on the bifurcation diagram, the spin sites are numbered so as to correspond to the spin eigenfunction generation order in that path. Thus, a spin eigenfunction having a large overlap with a true wave function can be generated in an open shell molecule whose approximate electron spin structure is known.

[Ms符号反転演算子]
次に、本実施形態で利用するMs符号反転演算子について説明する。上記数6及び数7を用いてスピン固有関数を逐次生成する際の鍵となるステップは、|Ψ(k,S,S)>から|Ψ(k,S,S−1)>を生成するステップである。上述したスピンサイトの番号付けの任意性を利用し、ここでは、図2に例示した分岐図上で、最初の2Nβステップでは、スピン量子数S=1/2とS=0との間を行き来し、残りのN−2Nβステップでは、スピン量子数Sを増加する図3及び図5の(ix)のような経路にのみ着目する。なお、Nβは、N個の不対電子のうちβスピン軌道を占有する電子の数を示す。このβスピンの電子の数Nβは、αスピン軌道を占有する電子の数Nαと等しいか少なくなっている(N=Nα+Nβ、Nα≧Nβ)。
[M s sign inversion operator]
Next, the M s sign inversion operator used in this embodiment will be described. The key step in sequentially generating spin eigenfunctions using Equation 6 and Equation 7 is to generate | ψ (k, S, S-1)> from | ψ (k, S, S)>. It is a step. By utilizing the above-described arbitrary spin site numbering, in the bifurcation diagram illustrated in FIG. 2, in the first 2N β step, between the spin quantum numbers S = 1/2 and S = 0. In the remaining N-2N β steps, attention is paid only to the path shown in FIG. 3 and FIG. 5 (ix) where the spin quantum number S is increased. N β represents the number of electrons occupying the β spin orbit among N unpaired electrons. The number N β of electrons in this β spin is equal to or less than the number N α of electrons occupying the α spin orbit (N = N α + N β , N α ≧ N β ).

この着目した経路では、スピン量子数Sを減らす電子スピン角運動量の合成(図中では、右下に延びる線)が、スピン量子数S=1/2とS=0との間にしか現れないという特徴を有する。すなわち、上記数7の式は、スピン量子数S=1/2であるスピン固有関数にしか適用されず、|Ψ(k,S,S)>から|Ψ(k,S,S−1)>を生成する操作は、|Ψ(k,S=1/2,Ms=1/2)>から|Ψ(k,S=1/2,Ms=−1/2)>を生成する操作に置換される。この操作は、以下の数10で定義されるMs符号反転演算子(Ms_SIGN_FLIP(i))を用いて達成することができる。 In this focused path, the synthesis of the electron spin angular momentum that reduces the spin quantum number S (a line extending in the lower right in the figure) appears only between the spin quantum numbers S = 1/2 and S = 0. It has the characteristics. That is, the above formula 7 is applied only to the spin eigenfunction having the spin quantum number S = 1/2, and | ψ (k, S, S)> to | ψ (k, S, S−1). > Is generated from | Ψ (k, S = 1/2, M s = 1/2)> to | Ψ (k, S = 1/2, M s = −1 / 2)>. Replaced with an operation. This operation can be achieved by using the M s sign inversion operator (M s SIGN_FLIP (i)) defined by Equation 10 below.

この演算子Ms_SIGN_FLIP(i)は、i電子系のスピン固有関数の全ての電子スピンの座標を反転させることで(|α>←→|β>)、磁気量子数Msの絶対符号を反転させる作用を有する。スピン座標マッピング法を用いた場合、Ms符号反転演算子は、以下の数11で示されるように、σx演算子を用いて記述することができる。 This operator M s _SIGN_FLIP (i) reverses the coordinates of all electron spins of the spin eigenfunction of the i-electron system (| α> ← → | β>), thereby obtaining the absolute sign of the magnetic quantum number M s. Has the effect of reversing. When the spin coordinate mapping method is used, the M s sign inversion operator can be described using the σ x operator as shown in the following Expression 11.

ここで、σx(p)は、p番目の量子ビットに作用するパウリ演算子であり、NOT演算に対応する。スピン座標マッピング法の表現上では、Ms符号反転演算子は、1からi番目の量子ビットに対してNOT演算を行う演算子として作用する。そのため、Ms符号反転演算子は、ユニタリーな演算子であり、量子コンピュータ上で実行可能である。また、スピン量子数S=1/2のスピン固有関数に上記数7の式を作用させた場合には、上記数7の式は、以下の数12のとおりになる。 Here, σ x (p) is a Pauli operator acting on the p-th qubit, and corresponds to a NOT operation. In terms of the spin coordinate mapping method, the M s sign inversion operator acts as an operator that performs a NOT operation on the 1st to i-th qubits. Therefore, the M s sign inversion operator is a unitary operator and can be executed on the quantum computer. Further, when the above formula 7 is applied to the spin eigenfunction of the spin quantum number S = 1/2, the above formula 7 is expressed as the following formula 12.

この操作は、(k+1)番目の量子ビットをコントロール量子ビットとして、(k+1)番目の量子ビットが|0>であるときにのみ、1番目からk番目までの量子ビットそれぞれにMs符号反転演算子を作用させることで達成することができる(以下、この演算を「Control_Ms_SIGN_FLIP演算」と記載する)。すなわち、Control_Ms_SIGN_FLIP演算は、(k+1)番目の量子ビットをコントロールビットとして、1番目からk番目までの量子ビットそれぞれにCNOT演算を行うことで達成される。このControl_Ms_SIGN_FLIP演算を用いれば、上記数6及び数7を用いてスピン固有関数を逐次生成する過程のうち、数7を用いてスピン固有関数|Ψ(k,S=1/2,MS=1/2)>からスピン固有関数|Ψ(k+1,S=0,MS=0)>を生成する演算を実行できる。なお、数6を用いてスピン固有関数|Ψ(k,S,MS)>からスピン固有関数|Ψ(k+1,S+1/2,MS+1/2)>を生成する演算は、スピン座標マッピング法を用いた場合、(k+1)番目の量子ビットを|0>に初期化することによって達成される。 This operation is performed only when the (k + 1) th qubit is a control qubit and the (k + 1) th qubit is | 0>, and the M s sign inversion operation is performed on each of the first to kth qubits. This can be achieved by operating a child (hereinafter, this operation is referred to as a “Control_M s SIGN_FLIP operation”). That, Control_M s _SIGN_FLIP operation is accomplished by performing a CNOT operation on the (k + 1) -th control bits qubits, each qubit from the first to k-th. Using this Control_M s _SIGN_FLIP operation, among the process of sequentially generating a spin eigenfunctions with the number 6 and number 7, a spin eigenfunctions with number 7 | Ψ (k, S = 1/2, M S = 1/2)> to generate a spin eigenfunction | Ψ (k + 1, S = 0, M S = 0)>. Note that the spin eigenfunctions with number 6 | Ψ (k, S, M S)> spin eigenfunctions from | Ψ (k + 1, S + 1/2, M S +1/2) operation that generates a> is the spin coordinates mapping When the method is used, this is achieved by initializing the (k + 1) th qubit to | 0>.

[量子コンピュータのハードウェア構成例]
次に、図6を用いて、上記量子演算を行う量子コンピュータについて説明する。図6は、本実施形態に係る量子コンピュータ1の一例を示す。図6に例示されるように、本実施形態に係る量子コンピュータ1は、複数の物理量子ビット11及び量子誤り訂正回路12でそれぞれ構成された複数の論理量子ビット10と、各論理量子ビット10の各物理量子ビット11に対して量子演算を実行する量子演算ユニット13と、を備える。この量子コンピュータ1は、本発明の「量子情報処理装置」に相当する。
[Example of hardware configuration of quantum computer]
Next, a quantum computer that performs the quantum operation will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows an example of the quantum computer 1 according to this embodiment. As illustrated in FIG. 6, the quantum computer 1 according to the present embodiment includes a plurality of logical qubits 10 each including a plurality of physical qubits 11 and a quantum error correction circuit 12, and each logical qubit 10. And a quantum operation unit 13 that performs a quantum operation on each physical qubit 11. This quantum computer 1 corresponds to a “quantum information processing apparatus” of the present invention.

量子コンピュータ1では、各演算は、量子力学の法則に支配される量子演算として実行される。論理量子ビット10を構成する各物理量子ビット11は、(1量子ビットあたりの)情報を保持する基本素子であり、|0>と|1>との任意の線形結合の状態を取り得る。各物理量子ビット11は、例えば、半導体量子ドット、分子内の核スピンや電子スピン、ダイアモンド内の窒素空孔(格子欠陥)、光学系量子回路、超電導量子回路、イオントラップ等により実現される。量子演算ユニット13は、物理量子ビット11に対して量子演算処理を実行可能なように、物理量子ビット11を実現する方法に応じて適宜構成される。   In the quantum computer 1, each operation is executed as a quantum operation governed by the laws of quantum mechanics. Each physical qubit 11 constituting the logical qubit 10 is a basic element that holds information (per qubit) and can take an arbitrary linear combination of | 0> and | 1>. Each physical qubit 11 is realized by, for example, a semiconductor quantum dot, a nuclear spin or an electron spin in a molecule, a nitrogen vacancy (lattice defect) in a diamond, an optical quantum circuit, a superconducting quantum circuit, an ion trap, or the like. The quantum operation unit 13 is appropriately configured according to a method for realizing the physical qubit 11 so that a quantum operation process can be performed on the physical qubit 11.

量子的存在である各物理量子ビット11は、本質的に一定の量子誤り(量子性の減衰)を伴うため、実用的な情報伝達及び複雑な大規模量子計算に直接用いると、不備が生じる場合がある。これに対応するため、論理量子ビット10は、量子誤り訂正回路12を備える。この量子誤り訂正回路12は、複数の物理量子ビットを備え、各物理量子ビット11の量子誤りを訂正可能に適宜構成される。これにより、論理量子ビット10は、コヒーレンス時間を延ばしつつ、物理量子ビット11の数に応じた量子情報を保持することができる。   Each physical qubit 11 that is a quantum entity has an inherently constant quantum error (attenuation of quantum properties), and therefore, when used directly for practical information transmission and complex large-scale quantum computation, a defect occurs. There is. In order to cope with this, the logical qubit 10 includes a quantum error correction circuit 12. The quantum error correction circuit 12 includes a plurality of physical qubits, and is appropriately configured so that the quantum error of each physical qubit 11 can be corrected. Thereby, the logical qubit 10 can hold quantum information corresponding to the number of physical qubits 11 while extending the coherence time.

なお、量子コンピュータ1の具体的なハードウェア構成に関して、実施の形態に応じて、適宜、構成要素の省略、置換、及び追加が可能である。量子コンピュータ1のハードウェアの方式は、例えば、量子アニーリング方式であってもよいし、量子ゲート方式であってもよい。量子アニーリング方式の量子コンピュータとして、D−Wave社が販売するD−Waveマシンを挙げることができる。   In addition, regarding the specific hardware configuration of the quantum computer 1, components can be omitted, replaced, and added as appropriate according to the embodiment. The hardware system of the quantum computer 1 may be, for example, a quantum annealing system or a quantum gate system. Examples of quantum annealing quantum computers include D-Wave machines sold by D-Wave.

また、疑似アニーリング法(Simulated Annealing)等により上記量子演算をシミュレーション可能であれば、古典コンピュータによって、量子情報処理装置を構成してもよい。この場合、量子情報処理装置は、専用に設計された情報処理装置の他、パーソナルコンピュータ等の汎用の情報処理装置であってもよい。   In addition, the quantum information processing apparatus may be configured by a classical computer as long as the above quantum operation can be simulated by a simulated annealing method or the like. In this case, the quantum information processing apparatus may be a general-purpose information processing apparatus such as a personal computer in addition to the information processing apparatus designed for exclusive use.

[動作例]
次に、図7を用いて、上記量子コンピュータ1の動作例について説明する。図7は、上記量子コンピュータ1が、単一の配置状態関数からなる試行波動関数として、N個の不対電子のうちβスピン電子がNβ個であるN電子系のスピン固有関数を生成する処理手順を模式的に例示する。なお、以下で説明する処理手順は、一例に過ぎず、各ステップの処理は可能な限り変更されてよい。また、以下で説明する処理手順について、実施の形態に応じて、適宜、ステップの省略、置換、及び追加が可能である。
[Operation example]
Next, an operation example of the quantum computer 1 will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows that the quantum computer 1 generates a spin eigenfunction of an N-electron system in which N β electrons out of N unpaired electrons are N β as a trial wave function composed of a single configuration state function. A processing procedure is schematically illustrated. Note that the processing procedure described below is merely an example, and the processing of each step may be changed as much as possible. Further, in the processing procedure described below, steps can be omitted, replaced, and added as appropriate according to the embodiment.

まず、初期動作として、量子コンピュータ1は、各論理量子ビット10に情報を格納していない状態で起動する。続いて、量子コンピュータ1は、プログラムの読み出し等を実行し、変数iに1を設定して、上記量子演算に関する処理を開始する。なお、以下の量子演算では、量子コンピュータ1は、N個の論理量子ビット10を利用する。本実施形態では、この論理量子ビット10は、本発明の「量子ビット」に相当する。   First, as an initial operation, the quantum computer 1 starts up in a state where no information is stored in each logical qubit 10. Subsequently, the quantum computer 1 executes reading of the program, etc., sets 1 to the variable i, and starts processing related to the quantum operation. In the following quantum operation, the quantum computer 1 uses N logical qubits 10. In the present embodiment, the logical qubit 10 corresponds to the “qubit” of the present invention.

ステップS101では、量子コンピュータ1は、例えば、以下の数13に示されるとおり、(2i−1)番目及び2i番目の論理量子ビット10を初期化し、量子演算領域に追加する。このとき、1番目の論理量子ビット10は、|Ψ(1,1/2,1/2)>を表わすようにする。(2i−1)番目の論理量子ビットの初期化は、上記数6の式を利用して(2i−2)電子系のスピン固有関数に1個の電子スピン角運動量を合成し、スピン量子数Sを1/2だけ大きくする処理に相当する。   In step S101, the quantum computer 1 initializes the (2i-1) th and 2ith logical qubits 10 and adds them to the quantum computation region, for example, as shown in the following Equation 13. At this time, the first logical qubit 10 represents | ψ (1, 1/2, 1/2)>. The initialization of the (2i-1) -th logical qubit uses the equation (6) above to (2i-2) synthesize one electron spin angular momentum to the spin eigenfunction of the electron system, and the spin quantum number This corresponds to the process of increasing S by 1/2.

次のステップS102では、量子コンピュータ1は、量子演算ユニット13により、2i番目の論理量子ビット10に対して回転角θ=−π/4の回転演算を適用する。例えば、量子演算ユニット13は、以下の数14に示される演算により、回転角θ=−π/4の回転処理を実行する。   In next step S <b> 102, the quantum computer 1 applies a rotation operation with a rotation angle θ = −π / 4 to the 2i-th logical qubit 10 by the quantum operation unit 13. For example, the quantum operation unit 13 performs a rotation process with a rotation angle θ = −π / 4 by the operation shown in the following Expression 14.

次のステップS103及びS104では、量子コンピュータ1は、量子演算ユニット13により、変数jに1を設定し、制御Ms符号反転演算を行う。すなわち、量子コンピュータ1は、2i番目の論理量子ビット10をコントロール量子ビットとして、j番目の論理量子ビット10に対してCNOT演算を行う。量子コンピュータ1は、変数jを1から2i−1まで1ずつインクリメントしながら、このCNOT演算を繰り返し実行する。すなわち、量子コンピュータ1は、ステップS103及びS104を繰り返し実行することで、2i番目の論理量子ビット10をコントロールビットとして、1番目から2i−1番目までの論理量子ビット10に対してCNOT演算を行う。この処理は、上記数7の式を利用して、(2i−1)電子系のスピン固有関数に1個の電子スピン角運動量を合成し、スピン量子数Sを1/2だけ小さくする処理に相当する。 In the next steps S103 and S104, the quantum computer 1 sets the variable j to 1 by the quantum operation unit 13, and performs the control Ms sign inversion operation. That is, the quantum computer 1 performs a CNOT operation on the j-th logical qubit 10 using the 2i-th logical qubit 10 as a control qubit. The quantum computer 1 repeatedly executes this CNOT operation while incrementing the variable j by 1 from 1 to 2i-1. In other words, the quantum computer 1 repeatedly performs steps S103 and S104 to perform a CNOT operation on the first to 2i−1 logical qubits 10 using the 2i-th logical qubit 10 as a control bit. . This process uses the above formula 7 to synthesize one electron spin angular momentum with the spin eigenfunction of (2i-1) electron system and reduce the spin quantum number S by 1/2. Equivalent to.

次のステップS105では、量子コンピュータ1は、変数iがβスピンの電子の数Nβと一致するか否かを判定する。変数iがNβに一致しない場合には、量子コンピュータ1は、変数iに1を加えて、ステップS101から処理を繰り返す。これにより、量子コンピュータ1は、量子演算ユニット13により、変数iを1からNβまで1ずつインクリメントしながら、上記ステップS101からステップS104までの処理を繰り返し実行する。一方、変数iがNβに一致する場合には、量子コンピュータ1は、当該繰り返しの処理を停止して、次のステップS106に処理を進める。 In the next step S105, the quantum computer 1 determines whether or not the variable i matches the number N β of electrons of β spin. If the variable i does not match , the quantum computer 1 adds 1 to the variable i and repeats the processing from step S101. Thus, a quantum computer 1, the quantum computation unit 13, while incrementing by one the variable i from 1 to N beta, repeats the process from step S101 to step S104. On the other hand, when the variable i matches , the quantum computer 1 stops the repetition process and proceeds to the next step S106.

次のステップS106では、量子コンピュータ1は、例えば、以下の数15の式のとおりに、残りの(N−Nβ)個の論理量子ビット10を初期化し、量子演算領域に追加する。これにより、量子演算領域に追加されたN個の論理量子ビット10には、単一の配置状態関数からなる試行波動関数として、N個の不対電子のうちβスピン電子がNβ個であるN電子系のスピン固有関数がスピン座標マッピング法で表現されて保存された状態になる。量子コンピュータ1は、この量子演算領域に含まれるN個の論理量子ビット10から試行波動関数を適宜読み出して利用する。 In the next step S106, the quantum computer 1 initializes the remaining (N−N β ) logical qubits 10 and adds them to the quantum operation region, for example, as shown in the following formula 15. As a result, N logical qubits 10 added to the quantum operation region have N β spin electrons out of N unpaired electrons as a trial wave function composed of a single arrangement state function. The spin eigenfunction of the N electron system is expressed and stored by the spin coordinate mapping method. The quantum computer 1 appropriately reads out and uses the trial wave function from the N logical qubits 10 included in the quantum operation region.

なお、上記処理手順に係る量子演算では、N個の論理量子ビット10を利用している。そのため、個々の論理量子ビット10では、量子誤り訂正回路12の作用により、コヒーレンシを比較的に長い時間保つことができる。また、上記処理手順では、各論理量子ビット10を利用する直前で初期化を行っている。そのため、各論理量子ビット10で情報を保持する時間を短くすることができ、量子誤りの影響を受けにくいようにすることができる。ただし、このような例に限定されなくてもよく、上記実施形態では、N個の物理量子ビット11を利用して、上記量子演算を行ってもよい。この場合、各物理量子ビット11が、本発明の「量子ビット」に相当する。また、量子コンピュータ1は、処理を開始する際に、N個の論理量子ビット10全てを初期化してもよい。   In the quantum operation related to the above processing procedure, N logical qubits 10 are used. Therefore, in each logical qubit 10, coherency can be maintained for a relatively long time by the action of the quantum error correction circuit 12. In the above processing procedure, initialization is performed immediately before each logical qubit 10 is used. Therefore, the time for holding information in each logical qubit 10 can be shortened, and the influence of quantum errors can be reduced. However, it is not necessary to be limited to such an example, and in the above embodiment, the quantum operation may be performed using N physical qubits 11. In this case, each physical qubit 11 corresponds to a “qubit” of the present invention. The quantum computer 1 may initialize all N logical qubits 10 when starting the processing.

<特徴>
以上のとおり、本実施形態では、量子力学における基礎的な定理である角運動量の合成則に基づいて、単一の配置状態関数からなる試行波動関数を生成する。一つの特徴は、上記の処理手順により、論理量子ビット10上に配置状態関数を多項式時間内で生成できることである。また、その他の特徴として、上記処理手順は、不対電子の角運動量を合成する手順を適切に選択することによって、上記ステップS101〜S105のような非常に単純な量子操作で実行可能である。
<Features>
As described above, according to the present embodiment, a trial wave function including a single arrangement state function is generated based on a synthesis rule of angular momentum, which is a basic theorem in quantum mechanics. One feature is that the arrangement state function can be generated on the logical qubit 10 within the polynomial time by the above processing procedure. Further, as another feature, the processing procedure can be executed by a very simple quantum operation such as steps S101 to S105 by appropriately selecting a procedure for synthesizing the angular momentum of unpaired electrons.

図8を用いて、詳細に説明する。図8は、上記図7の処理手順を実行可能な量子演算回路の一例を示す。上記処理手順及び図8から明らかなとおり、量子コンピュータ1は、配置状態関数を生成するまでに、Nβ回の1論理量子ビット10に対する−π/4回転処理と、Nβ 2回のCNOT演算処理と、を実行することになる。すなわち、量子コンピュータ1は、Nβ個のβスピンの電子を有するN電子系に対して、上記量子演算を多項式時間O(Nβ 2)内で実行することができる。 This will be described in detail with reference to FIG. FIG. 8 shows an example of a quantum operation circuit capable of executing the processing procedure of FIG. As apparent from the above procedure and 8, a quantum computer 1, before generating the arrangement functions, and - [pi] / 4 rotation processing for one logical qubit 10 N beta times, N beta 2 times CNOT operation Process. That is, a quantum computer 1, for N electron system having an electron N beta number of beta spin, the quantum computation may be performed within a polynomial time O (N β 2).

配置状態関数を構成するスレーター行列式は、一電子占有軌道と呼ばれる、不対電子の占有する分子軌道でのみ電子配置が異なる。それ以外の分子軌道は二電子占有又は非占有となり、配置状態関数の生成には重要でない。上記実施形態では、この性質を利用し、量子コンピュータ1上で配置状態関数を生成するために、一電子占有軌道を占有する不対電子のスピン座標に注目したスピン座標マッピング法を用い、一電子占有軌道のみから成る部分空間でスピン固有関数を生成する。これにより、量子位相推定アルゴリズムを用いたFCI計算にしばしば使われてきた直接マッピング法を用いる場合よりも簡便に配置状態関数を生成することが可能となる。   The Slater determinant constituting the configuration state function differs in the electron configuration only in the molecular orbitals occupied by unpaired electrons, which are called one-electron occupation orbitals. Other molecular orbitals are occupied or unoccupied by two electrons and are not important for the generation of configuration state functions. In the above embodiment, in order to generate an arrangement state function on the quantum computer 1 using this property, a spin coordinate mapping method focusing on the spin coordinates of unpaired electrons occupying one electron occupied orbital is used. A spin eigenfunction is generated in a subspace consisting only of occupied orbitals. As a result, it is possible to generate the arrangement state function more easily than the case of using the direct mapping method often used for FCI calculation using the quantum phase estimation algorithm.

[数値計算例]
図6は、5個、9個、及び13個の水素原子からそれぞれなるクラスタモデル(以下、それぞれ、5Hクラスタ、9Hクラスタ、及び13Hクラスタと称する)を例示する。古典コンピュータによるシミュレーションにより、単一の配置状態関数からなる試行波動関数とFCI波動関数との重なりについて、図9に例示するクラスタモデルについて数値計算を行った。
[Numeric calculation example]
FIG. 6 illustrates cluster models (hereinafter referred to as 5H cluster, 9H cluster, and 13H cluster, respectively) each consisting of 5, 9, and 13 hydrogen atoms. A numerical simulation was performed on the cluster model illustrated in FIG. 9 with respect to the overlap between the trial wave function consisting of a single arrangement state function and the FCI wave function by simulation using a classical computer.

各クラスタについて、FCI/STO−3G計算を行ったところ、5Hクラスタでは4個の、9Hクラスタでは16個の、13Hクラスタでは64個のスレーター行列式が、それぞれ0.469、0.220、及び0.103程度のほぼ同じ展開係数を有することが分かった。また、系のサイズが大きくなるに従って、FCI波動関数とHF波動関数との重なりが急激に小さくなることが分かった。一方、FCI/STO−3G波動関数と上記実施形態により生成される試行波動関数との重なりを計算したところ、5Hクラスタ、9Hクラスタ、及び13Hクラスタでそれぞれ0.939、0.881、及び0.828という展開係数を持つ配置状態関数が主配置として計算され、13電子系でも約70%の量子位相推定成功確率を持つことが示された。これにより、本実施形態によれば、単一の配置状態関数からなる試行波動関数を効率的に生成できることが示された。   When FCI / STO-3G calculation was performed for each cluster, four slater determinants of 4 in the 5H cluster, 16 in the 9H cluster, and 64 in the 13H cluster were approximately 0.469, 0.220, and 0.103, respectively. It was found to have the same expansion coefficient. It was also found that the overlap between the FCI wave function and the HF wave function decreases rapidly as the system size increases. On the other hand, when the overlap between the FCI / STO-3G wave function and the trial wave function generated by the above embodiment is calculated, the expansion coefficients of 0.939, 0.881, and 0.828 are obtained in the 5H cluster, 9H cluster, and 13H cluster, respectively. The configuration state function was calculated as the main configuration, and it was shown that the 13-electron system also has a quantum phase estimation success probability of about 70%. Thereby, according to this embodiment, it was shown that the trial wave function which consists of a single arrangement | positioning state function can be produced | generated efficiently.

1…量子コンピュータ、
10…論理量子ビット、
11…物理量子ビット、12…量子誤り訂正回路、13…量子演算ユニット
1 ... Quantum computer,
10: Logic qubit,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Physical quantum bit, 12 ... Quantum error correction circuit, 13 ... Quantum arithmetic unit

Claims (1)

単一の配置状態関数からなる試行波動関数として、N個の不対電子のうちβスピン電子がNβ個であるN電子系のスピン固有関数を生成する量子情報処理装置であって、
N個の量子ビットと、
変数iを1からNβまで1ずつインクリメントしながら、(ア)2i番目の量子ビットに対して回転角θ=−π/4の回転を行い、(イ)2i番目の量子ビットをコントロールとして、1番目から2i−1番目までの量子ビットに対して制御NOT演算を行う、処理を実行する量子演算ユニットと、
を備える、
量子情報処理装置。
A quantum information processing device that generates a spin eigenfunction of an N-electron system having N β electrons out of N unpaired electrons as a trial wave function composed of a single configuration state function,
N qubits,
While incrementing by one the variable i from 1 to N beta, the rotation of the rotation angle θ = -π / 4 is performed, as control (A) 2i th qubit with respect to (A) 2i th qubit, A quantum operation unit that performs a control NOT operation on the first to 2i−1 qubits, and that performs processing;
Comprising
Quantum information processing device.
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