JP7212891B2 - Quantum arithmetic device and method - Google Patents

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Description

本発明は、量子計算技術に関する。 The present invention relates to quantum computing technology.

量子計算機は、量子論に基づく量子ビットと呼ばれる基本要素からなる計算機である。量子ビットは有限の誤り率を持つため、計算タスクにおける量子ビットの数を増やしたり量子計算の時間を長くしたりしていくと、いずれは誤りの影響で量子計算の結果が意味のないものになってしまう。このため、量子計算機で有用な計算を行うためには、誤りが計算結果を無意味にしないよう適切に計算タスクを設計する必要がある。 A quantum computer is a computer that consists of basic elements called quantum bits based on quantum theory. Since qubits have a finite error rate, if you increase the number of qubits in a computational task or lengthen the quantum computation time, eventually the results of quantum computation will become meaningless due to the effects of errors. turn into. Therefore, in order to perform useful computations on a quantum computer, it is necessary to design computational tasks appropriately so that errors do not render the computational results meaningless.

量子古典ハイブリッドアルゴリズムは、量子計算機を小さな計算のタスクの繰り返しにのみ用いることで、長時間の計算に耐えない誤り率を持つ量子計算機でも有用なアプリケーションを実現しようというアイデアである。量子古典ハイブリッドアルゴリズムの枠組みの中で特に注目を集めているのが、量子状態から損失と呼ばれる実数を計算する関数の最小化に用いることができる量子変分アルゴリズムである。以下、量子変分アルゴリズムの仕組みを説明する。 The quantum-classical hybrid algorithm is an idea to realize a useful application even with a quantum computer that has an error rate that cannot withstand long-term computation by using the quantum computer only for repeating small computational tasks. Within the framework of quantum-classical hybrid algorithms, quantum variational algorithms, which can be used to minimize functions that compute real numbers called losses from quantum states, have attracted particular attention. The mechanism of the quantum variational algorithm is explained below.

量子計算のタスクは、量子演算と呼ばれる(i)量子状態の初期化、(ii)量子ゲート、(iii)量子状態の測定、という3種類の操作の系列を論理回路のように記述した量子回路と呼ばれる方法で表現される。特に単一の量子ビットのみに作用する量子ゲートは単一量子ビット回転ゲートと呼ばれ、その操作は回転角という実数パラメータで特徴づけることができる。量子計算のタスクに要する計算時間は、量子回路の長さに相当する。 The task of quantum computation is a quantum circuit that describes a sequence of three types of operations called quantum operations, (i) initialization of the quantum state, (ii) quantum gate, and (iii) measurement of the quantum state, like a logic circuit. expressed in a way called In particular, a quantum gate that operates only on a single qubit is called a single-qubit rotation gate, and its operation can be characterized by a real parameter, the rotation angle. The computation time required for a quantum computing task corresponds to the length of the quantum circuit.

量子変分アルゴリズムでは、まず許容できる計算時間の回路長の量子回路を試行回路として定義する。試行回路中の単一量子ビット回転ゲートの回転角を、試行回路を特徴づけるパラメータセットとみなす。試行回路を用いた量子計算の結果として、パラメータセットに依存した量子状態が得られる。この量子状態から計算される損失を最小化するように、試行回路の回転角パラメータを変分法により最適化する。最適化が十分に行われれば、損失を最小化するような入出力を行う試行回路のパラメータセットや最適化された損失の値が手に入ると期待できる。 In the quantum variational algorithm, first, a quantum circuit with an allowable computation time is defined as a trial circuit. We regard the rotation angle of the single-qubit rotation gate in the trial circuit as a parameter set that characterizes the trial circuit. Quantum computation using the trial circuit results in a quantum state that depends on the parameter set. The rotation angle parameters of the trial circuit are optimized by variational methods so as to minimize the loss calculated from this quantum state. If the optimization is done sufficiently, we can expect to obtain a set of parameters for the input/output trial circuit that minimizes the loss and an optimized loss value.

上記のような量子変分アルゴリズムは、特に入出力の対象が量子力学を用いて自然に記述される場合に、古典計算機を用いた変分アルゴリズムに比べ良い性能を示すと期待されている。例えば、化学物質は、量子力学を用いて自然に記述される対象の例である。これは、複雑な化学物質の最低エネルギー状態は、量子力学的にしか表現できないためである。このことから、量子変分アルゴリズムの具体的な応用が期待される例としては、損失を興味のある化学物質のエネルギーとして定義し、物質の最低エネルギーや対応する量子状態を求める変分量子固有値法などがある(例えば、非特許文献1参照。)。 Quantum variational algorithms such as those described above are expected to exhibit better performance than variational algorithms using classical computers, especially when input/output targets are naturally described using quantum mechanics. For example, chemicals are examples of objects that are naturally described using quantum mechanics. This is because the lowest energy state of complex chemical substances can only be expressed quantum-mechanically. Based on this, a specific application of the quantum variational algorithm is expected: the variational quantum eigenvalue method, in which loss is defined as the energy of a chemical substance of interest, and the lowest energy and corresponding quantum state of the substance are obtained. etc. (see, for example, Non-Patent Document 1).

Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J. Love, Alan Aspuru-Guzik, Jeremy L. O’Brien, "A variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor", Nature communications 5, 4213 (2014)Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J. Love, Alan Aspuru-Guzik, Jeremy L. O'Brien, "A variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor", Nature communications 5, 4213 (2014)

量子変分アルゴリズムを実用的な規模の問題まで適用するためには、問題のサイズに合わせ個々の量子ビットの誤り率を十分小さい値にしなければならない。ところが、物理的な誤り率には技術的な限界があるため、素朴な手法では量子変分アルゴリズムは規模の大きい問題に適用することができない。 In order to apply quantum variational algorithms to problems of practical scale, the error rate of individual qubits must be small enough to match the size of the problem. However, due to technical limitations in physical error rates, quantum variational algorithms cannot be applied to large-scale problems using naive methods.

本発明は、量子演算装置の誤り率が十分小さい値でなくても、量子変分アルゴリズムを実行することができる量子演算装置及び方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a quantum arithmetic device and method capable of executing a quantum variational algorithm even if the error rate of the quantum arithmetic device is not sufficiently small.

この発明の一態様による量子演算装置は、kは1以上の所定の整数であり、変分アルゴリズムを実行するための量子回路である試行量子回路の構成要素となる量子演算を特徴付ける制御可能なk個のパラメータを初期化する初期化部と、初期化されたk個のパラメータに対応する試行量子回路に対応する損失を計算するための損失量子回路と、初期化されたk個のパラメータをそれぞれ更新するために必要なk個の更新パラメータを計算するためのk個の更新パラメータ量子回路とを生成する量子回路生成部と、損失量子回路及びk個の更新パラメータ量子回路のそれぞれを符号化する符号化部と、符号化された損失量子回路及びk個の更新パラメータ量子回路のそれぞれの実行を行い、実行結果の測定値を得る量子計算部と、実行結果の測定値を復号する復号部と、復号された計算結果を用いて、損失及びk個の更新パラメータのそれぞれを計算する損失更新パラメータ計算部と、k個の更新パラメータに基づいて、初期化されたk個のパラメータを更新する更新部と、初期化されたk個のパラメータに代えて更新されたk個のパラメータを用いた、量子回路生成部、符号化部、量子計算部、復号部、損失更新パラメータ計算部及び更新部の処理を所定の終了条件を満たすまで繰り返し行うように制御する制御部と、を備えている。 In the quantum operation device according to one aspect of the present invention, k is a predetermined integer equal to or greater than 1, and a controllable k that characterizes the quantum operation that is a component of a trial quantum circuit that is a quantum circuit for executing a variational algorithm. An initialization unit for initializing parameters, a loss quantum circuit for calculating losses corresponding to trial quantum circuits corresponding to the initialized k parameters, and the initialized k parameters a quantum circuit generator for generating k update parameter quantum circuits for calculating k update parameters required for updating; and encoding each of the lossy quantum circuit and the k update parameter quantum circuits. an encoding unit, a quantum computation unit that executes each of the encoded lossy quantum circuit and the k updated parameter quantum circuits and obtains a measurement value of the execution result, and a decoding unit that decodes the measurement value of the execution result; , a loss update parameter calculator that calculates a loss and k update parameters using the decoded calculation results; and an update that updates the initialized k parameters based on the k update parameters. and a quantum circuit generation unit, an encoding unit, a quantum calculation unit, a decoding unit, a loss update parameter calculation unit, and an update unit using updated k parameters instead of the initialized k parameters. and a control unit that controls to repeat the process until a predetermined end condition is satisfied.

量子演算装置の誤り率が十分小さい値でなくても、量子変分アルゴリズムを実行することができる。 A quantum variational algorithm can be executed even if the error rate of the quantum arithmetic unit is not sufficiently small.

図1は、量子演算装置の機能構成の例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the functional configuration of a quantum arithmetic device. 図2は、量子演算方法の処理手続きの例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of the processing procedure of the quantum arithmetic method. 図3は、更新部7の処理の例を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining an example of processing by the updating unit 7. As shown in FIG. 図4は、コンピュータの機能構成例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a functional configuration example of a computer.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面中において同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In the drawings, constituent parts having the same function are denoted by the same numbers, and redundant explanations are omitted.

[量子演算装置及び方法]
本発明では、量子演算装置の誤り率が十分小さい値でなくても、量子変分アルゴリズムを実行するために、量子誤り訂正という技術を用いる(例えば、参考文献1参照。)。量子誤り訂正では、単一の量子ビットを複数の量子ビットを用いて冗長に表現することで、実効的な誤り率を小さくすることができる。この時、冗長に表現された量子ビットのことを論理量子ビットと呼び、論理量子ビットを構成する個々の量子ビットを物理量子ビットと呼ぶ。また、単一の量子ビットを冗長に表現した空間に埋め込むことを符号化、この逆操作を復号化と呼ぶ。
[Quantum arithmetic device and method]
In the present invention, a technique called quantum error correction is used in order to execute a quantum variational algorithm even if the error rate of a quantum arithmetic unit is not sufficiently small (see Reference 1, for example). In quantum error correction, the effective error rate can be reduced by redundantly representing a single quantum bit using multiple quantum bits. At this time, the redundantly expressed qubit is called a logical qubit, and each qubit constituting the logical qubit is called a physical qubit. Also, embedding a single quantum bit in a redundantly expressed space is called encoding, and the reverse operation is called decoding.

〔参考文献1〕Michael A. Nielsen, Isaac L. Chuang, “Quantum computation and quantum information”, pp.425-499 (2002) [Reference 1] Michael A. Nielsen, Isaac L. Chuang, “Quantum computation and quantum information”, pp.425-499 (2002)

量子誤り訂正によって実効的な誤り率を低くできる量子演算を「誤り耐性を持った量子演算(fault-tolerant quantum operations)」と呼ぶ。 Quantum operations that can lower the effective error rate by quantum error correction are called "fault-tolerant quantum operations."

量子演算装置は、図1に示すように、初期化部1、量子回路生成部2、符号化部3、量子計算部4、復号部5、損失更新パラメータ計算部6、更新部7及び制御部8を例えば備えている。 As shown in FIG. 1, the quantum arithmetic device includes an initialization unit 1, a quantum circuit generation unit 2, an encoding unit 3, a quantum calculation unit 4, a decoding unit 5, a loss update parameter calculation unit 6, an update unit 7, and a control unit. 8 for example.

量子演算方法は、量子演算装置の各構成部が、以下に説明する及び図2に示すステップS1からステップS8の処理を行うことにより例えば実現される。 The quantum arithmetic method is realized, for example, by each component of the quantum arithmetic device performing the processing from step S1 to step S8 described below and shown in FIG.

以下、量子演算装置の各構成部について説明する。 Each component of the quantum arithmetic device will be described below.

最適化のプロセス全体を特徴づけるパラメータとして、学習率λ、繰り返し数L'、許容探索ステップ数P、許容する誤り耐性を持たせられない量子演算の数mが指定されているとする。また、探索ステップ数pが0に初期化されていすとする。 It is assumed that the parameters characterizing the entire optimization process are the learning rate λ, the number of iterations L′, the allowable number of search steps P, and the allowable number of error-tolerant quantum operations m. It is also assumed that the search step number p is initialized to 0.

<初期化部1>
初期化部1は、所定の試行量子回路の構成要素となる量子演算を特徴付ける制御可能なk個のパラメータを初期化する(ステップS1)。初期化されたk個のパラメータについての情報は、量子回路生成部2に出力される。kは、1以上の所定の整数である。
<Initialization part 1>
The initialization unit 1 initializes k controllable parameters that characterize quantum operations that are constituent elements of a predetermined trial quantum circuit (step S1). Information about the initialized k parameters is output to the quantum circuit generator 2 . k is a predetermined integer greater than or equal to 1;

例えば、初期化部1は、試行量子回路中の全ての回転角パラメータを0に初期化する。 For example, the initialization unit 1 initializes all rotation angle parameters in the trial quantum circuit to zero.

以下では、試行量子回路の構成要素となる量子演算を特徴付ける制御可能なパラメータが、試行量子回路を構成する単一量子ビット回転ゲートの回転角である場合を例に挙げて説明する。 In the following, an example will be described in which the controllable parameter that characterizes the quantum operation that constitutes the trial quantum circuit is the rotation angle of a single-qubit rotation gate that constitutes the trial quantum circuit.

試行量子回路の構成要素となる量子演算を特徴付ける制御可能なパラメータは、単一量子ビット回転ゲートの回転角に限られず、デコヒーレンスの強さなどの回転角に対応しないパラメータであってもよい。また、試行量子回路の構成要素となる量子演算は、1量子ゲート演算に限らず、2量子ゲート演算や状態の初期化、測定も含んでいてもよい。 A controllable parameter that characterizes the quantum operations that constitute the trial quantum circuit is not limited to the rotation angle of the single-qubit rotation gate, and may be a parameter that does not correspond to the rotation angle, such as decoherence strength. Quantum operations that constitute the trial quantum circuit are not limited to one-quantum gate operations, and may include two-quantum gate operations, state initialization, and measurement.

<量子回路生成部2>
量子回路生成部2には、初期化部1により初期化されたk個のパラメータについての情報が入力される。なお、量子回路生成部2の2回目以降の処理では、量子回路生成部2には、更新部7で更新されたk個のパラメータについての情報が入力される。
<Quantum circuit generator 2>
Information about the k parameters initialized by the initialization unit 1 is input to the quantum circuit generation unit 2 . In the second and subsequent processes of the quantum circuit generation unit 2, information about k parameters updated by the update unit 7 is input to the quantum circuit generation unit 2. FIG.

量子回路生成部2は、入力されたk個のパラメータについての情報により特徴付けられる試行量子回路に対し、損失を計算するための損失量子回路を生成する。また、量子回路生成部2は、パラメータごとに、損失に対し更新に必要な値である更新パラメータ(例えば勾配)を計算する更新パラメータ量子回路を生成する。 Quantum circuit generation unit 2 generates a loss quantum circuit for calculating a loss for a trial quantum circuit characterized by information on input k parameters. The quantum circuit generation unit 2 also generates an update parameter quantum circuit for calculating an update parameter (for example, a gradient), which is a value necessary for updating the loss for each parameter.

すなわち、量子回路生成部2は、初期化部1により初期化されたk個のパラメータに対応する前記試行量子回路に対応する損失を計算するための損失量子回路と、前記初期化されたk個のパラメータをそれぞれ更新するために必要なk個の更新パラメータを計算するためのk個の更新パラメータ量子回路とを生成する(ステップS2)。 That is, the quantum circuit generation unit 2 includes a loss quantum circuit for calculating losses corresponding to the trial quantum circuits corresponding to the k parameters initialized by the initialization unit 1, and the initialized k parameters k update parameter quantum circuits for calculating k update parameters required to update the parameters of (step S2).

パラメータの更新方法としてはパラメータの損失に対する勾配を用いる方法(例えば、参考文献2参照。)が代表的であるため、以下では、更新パラメータが勾配である場合を例に挙げて説明する。もちろん、更新パラメータは、勾配以外の更新パラメータであってもよい(例えば、参考文献3参照。)。 A typical parameter update method is a method using a gradient for a parameter loss (see Reference 2, for example). Therefore, a case where the update parameter is a gradient will be described below as an example. Of course, the update parameter may be an update parameter other than the gradient (see Reference 3, for example).

〔参考文献2〕K. Mitarai, M. Negoro, M. Kitagawa, K. Fujii, "Quantum circuit learning", Phys. Rev. A 98, 032309 (2018)
〔参考文献3〕Ken M. Nakanishi, Keisuke Fujii, Synge Todo, "Sequential minimal optimization for quantum-classical hybrid algorithms", arXiv:1903.12166 (2019)
[Reference 2] K. Mitarai, M. Negoro, M. Kitagawa, K. Fujii, "Quantum circuit learning", Phys. Rev. A 98, 032309 (2018)
[Reference 3] Ken M. Nakanishi, Keisuke Fujii, Synge Todo, "Sequential minimal optimization for quantum-classical hybrid algorithms", arXiv:1903.12166 (2019)

損失量子回路は、損失を計算するために、試行量子回路の末端に複数の測定回路を付け加えたものである。 A loss quantum circuit is a trial quantum circuit appended with multiple measurement circuits to calculate the loss.

より詳細には、Mを所定の1以上の数として、損失量子回路は、例えばM個の量子回路から構成される。 More specifically, the lossy quantum circuit is composed of, for example, M quantum circuits, where M is a predetermined number of 1 or more.

各更新パラメータ量子回路も、複数の量子回路から構成される。各更新パラメータ量子回路を構成する量子回路の数は、更新に必要な情報をどのように生成するのかに依存する。各更新パラメータ量子回路は、例えば、参考文献2の方法を用いた場合には2M個の量子回路から構成され、参考文献3の方法を用いた場合には3M個の量子回路から構成される。 Each update parameter quantum circuit is also composed of a plurality of quantum circuits. The number of quantum circuits forming each update parameter quantum circuit depends on how the information required for updating is generated. For example, each update parameter quantum circuit is composed of 2M quantum circuits when the method of Reference 2 is used, and is composed of 3M quantum circuits when the method of Reference 3 is used.

以下では、k個の更新パラメータ量子回路のそれぞれが2M個の量子回路から構成される場合を例に挙げて説明する。 A case where each of the k update parameter quantum circuits is composed of 2M quantum circuits will be described below as an example.

<符号化部3>
符号化部3は、損失量子回路及びk個の更新パラメータ量子回路のそれぞれを符号化する(ステップS3)。
<Encoder 3>
The encoding unit 3 encodes each of the lossy quantum circuits and the k updated parameter quantum circuits (step S3).

符号化部3は、この際、符号化する量子回路の構成に応じ、最終的に実現される量子回路全体の誤り率を十分小さくするよう量子符号の符号長を選ぶ。 At this time, the coding unit 3 selects the code length of the quantum code according to the configuration of the quantum circuit to be coded so as to sufficiently reduce the error rate of the entire quantum circuit finally realized.

損失量子回路がM個の量子回路から構成され、k個の更新パラメータ量子回路のそれぞれが2M個の量子回路から構成されている例では、符号化部3は、ステップS3の処理により、合計M+2kM個の量子回路のそれぞれを符号化する。 In an example in which the lossy quantum circuit is composed of M quantum circuits and each of the k update parameter quantum circuits is composed of 2M quantum circuits, the encoding unit 3 performs the processing in step S3 to obtain a total of M Encode each of the +2kM quantum circuits.

なお、試行量子回路の量子ビット数がqである場合には、符号化された各量子回路の量子ビット数はpである。ここで、q,pは正の整数であり、p>qである。 Note that if the number of qubits of the trial quantum circuit is q, the number of qubits of each encoded quantum circuit is p. where q and p are positive integers and p>q.

量子回路の符号化は、例えば参考文献1に記載された手法により行うことができる。 Coding of the quantum circuit can be performed by the technique described in Reference 1, for example.

なお、符号化部3のある第一段階目の符号化では、誤り耐性を持たせられない量子演算もある。この誤り耐性を持たせられない量子演算は、例えば参考文献6に記載されているいわゆる魔法状態注入及び魔法状態蒸留により間接的かつ近似的に論理量子ビット上で実現することができる。言い換えれば、符号化部3は、第一段階目の符号化により得られた符号Aの上でそのある符号化とは異なる第二段階目の符号化を行い符号Bを構成することで、第一段階目の符号化では誤り耐性を持たせられなかった量子演算を、符号Aの上で誤り耐性があるように実現することができる。このように、符号化部3は、必要に応じて、第一段階目の符号化では誤り耐性を持たせられない量子演算に誤り耐性を持たせられるようにするために第二段階目の符号化を行ってもよい。 It should be noted that in the first-stage encoding in the encoding unit 3, there are some quantum operations that cannot be given error resilience. This fault-tolerant quantum operation can be implemented indirectly and approximately on logical qubits by so-called magic state injection and magic state distillation as described, for example, in ref. In other words, the encoding unit 3 performs the second-stage encoding different from the certain encoding on the code A obtained by the first-stage encoding to construct the code B. Quantum operations that could not be error-tolerant in the first-stage encoding can be implemented in code A in an error-tolerant manner. In this way, the encoding unit 3 uses the second-stage code to make error-tolerant quantum operations, which cannot be made error-tolerant in the first-stage encoding, as necessary. may be modified.

<量子計算部4>
量子計算部4は、符号化された損失量子回路及びk個の更新パラメータ量子回路のそれぞれの実行を行い、実行結果の測定値を得る(ステップS4)。
<Quantum computing unit 4>
The quantum calculator 4 executes each of the encoded lossy quantum circuits and the k updated parameter quantum circuits, and obtains measurement values of the execution results (step S4).

なお、量子回路ごとに、N回実行が行われ、N個の実行結果の測定値が得られる。Nは2以上の所定の整数である。量子回路の個数はk+1個であるため、(k+1)×N個の実行結果の測定値が得られる。 Note that for each quantum circuit, N executions are performed, and measurements of N execution results are obtained. N is a predetermined integer of 2 or more. Since the number of quantum circuits is k+1, we obtain measurements of (k+1)×N execution results.

得られた実行結果の測定値は、復号部5に出力される。 The obtained measurement value of the execution result is output to the decoding unit 5 .

なお、量子ビットがpの量子回路を実行すると、p'ビットの値が得られる。ここで、p'はpより大きい整数である。これは、同じ量子ビットを何回か測定することがあるからである。量子計算は実行するたびにこのp'ビットの値が確率的に変化する。この変化の統計を取るため、損失量子回路がM個の量子回路から構成され、k個の更新パラメータ量子回路のそれぞれが2M個の量子回路から構成されている例では、M+2kM個の量子回路のそれぞれがN回実行される。これにより、各量子回路について、N×p'ビットの値が得られる。別の言い方をすると、得られる全部の値は(M+2kM)種類の量子の回路それぞれについて、N回実行して得られた、p'ビット列である。量子計算部4により得られる全部のビット数は(M+2kM)*N*p'である。 Note that when a quantum circuit with p quantum bits is executed, a value of p′ bits is obtained. where p' is an integer greater than p. This is because the same qubit may be measured several times. The value of this p' bit stochastically changes each time quantum computation is executed. To obtain statistics of this change, in an example where the loss quantum circuit consists of M quantum circuits and each of the k updated parameter quantum circuits consists of 2M quantum circuits, M+2kM quantum circuits Each of the circuits is executed N times. This yields an N×p′-bit value for each quantum circuit. In other words, all the values obtained are p′-bit strings obtained by running N times for each of the (M+2kM) types of quantum circuits. The total number of bits obtained by the quantum calculator 4 is (M+2kM)*N*p'.

なお、量子計算部4の処理のみが量子計算機により行われ、その他の各部の処理は古典計算機により行われる。古典計算機の例は、図4に例示されているコンピュータ2000である。コンピュータ2000は、制御部2010、記録部2020、入力部2030、出力部2040を備えている。必要に応じて、コンピュータ2000は、表示部2050を備えていてもよい。 Only the processing of the quantum computing unit 4 is performed by a quantum computer, and the processing of other units is performed by a classical computer. An example of a classical computer is computer 2000 illustrated in FIG. The computer 2000 has a control section 2010 , a recording section 2020 , an input section 2030 and an output section 2040 . The computer 2000 may include a display section 2050 as required.

コンピュータの記録部2020に、実行させるプログラムを読み込ませ、制御部2010、入力部2030、出力部2040などに動作させることで古典計算機による処理は実現できる。 A program to be executed is read into the recording unit 2020 of the computer, and the control unit 2010, the input unit 2030, the output unit 2040, etc. are operated to realize the processing by the classical computer.

<復号部5>
復号部5には、量子計算部4で得られた実行結果の測定値が入力される。
<Decryption unit 5>
A measurement value of the execution result obtained by the quantum computing unit 4 is input to the decoding unit 5 .

復号部5は、実行結果の測定値を復号する(ステップS5)。これにより、符号化前の量子回路での計算結果を得ることができる。 The decoding unit 5 decodes the measurement value of the execution result (step S5). This makes it possible to obtain the calculation result in the quantum circuit before encoding.

復号は、(k+1)×N個の実行結果の測定値のそれぞれについて行われる。このため、復号部5により、(k+1)×N個の復号された計算結果が得られる。 Decoding is performed for each of the (k+1)×N run result measurements. Therefore, the decoding unit 5 obtains (k+1)×N decoded calculation results.

より詳細には、損失量子回路がM個の量子回路から構成され、k個の更新パラメータ量子回路のそれぞれが2M個の量子回路から構成されている例では、(M+2kM)*N個の「p'ビット列」のそれぞれについて、復号が行われる。この復号の結果、q個のビット列が得られる。このq個のビット列は「エラーが小さな量子計算機が仮想的に存在していたとした場合に、符号化部3に入力されたq個の量子ビットの量子回路を、符号化を行わずにこのエラーの小さな量子計算機で実行していた場合に得られる、q個のビット列」である。このため、この例では、ステップS5の処理により、(M+2kM)種類の量子回路のそれぞれに対する、N個の、qビット列が得られる。 More specifically, in an example in which the lossy quantum circuit is composed of M quantum circuits and each of the k update parameter quantum circuits is composed of 2M quantum circuits, (M+2kM)*N Decoding is performed for each of the 'p' bit strings. As a result of this decoding, q bit strings are obtained. This q bit string is expressed as follows: "If a quantum computer with a small error exists virtually, the quantum circuit of q qubits input to the encoding unit 3 can be q bit strings obtained when running on a small quantum computer with Therefore, in this example, N q-bit strings are obtained for each of (M+2kM) kinds of quantum circuits by the processing in step S5.

各実行結果の測定値の符号化は、例えば参考文献1に記載された手法により行うことができる。 The encoding of the measurement value of each execution result can be performed by the technique described in Reference 1, for example.

復号部5により復号された計算結果は、損失更新パラメータ計算部6に出力される。 The calculation result decoded by the decoding unit 5 is output to the loss update parameter calculation unit 6 .

<損失更新パラメータ計算部6>
損失更新パラメータ計算部6は、復号された計算結果を用いて、損失及びk個の更新パラメータのそれぞれを計算する(ステップS6)。計算された損失は、制御部8に出力される。計算されたk個の更新パラメータは、更新部7に出力される。
<Loss update parameter calculator 6>
The loss update parameter calculator 6 uses the decoded calculation results to calculate the loss and k update parameters (step S6). The calculated loss is output to the control section 8 . The calculated k update parameters are output to the updating unit 7 .

まず、損失更新パラメータ計算部6は、復号された計算結果に対して統計処理を行い、量子回路ごとに統計処理後計算結果を求める。 First, the loss update parameter calculator 6 performs statistical processing on the decoded calculation results, and obtains post-statistical calculation results for each quantum circuit.

損失量子回路がM個の量子回路から構成され、k個の更新パラメータ量子回路のそれぞれが2M個の量子回路から構成されている例では、復号部5の処理により、(M+2kM)種類の量子回路のそれぞれについて、N個の「qビット列」が得られている。損失更新パラメータ計算部6は、各量子回路に割り当てられたN*qビットに対して統計的な処理を行うことで、1個の実数を得る。 In an example in which the lossy quantum circuit is composed of M quantum circuits and each of the k update parameter quantum circuits is composed of 2M quantum circuits, the decoding unit 5 processes (M+2kM) kinds of For each quantum circuit, N "q-bit strings" are obtained. The loss update parameter calculator 6 obtains one real number by performing statistical processing on the N*q bits assigned to each quantum circuit.

損失量子回路はM個の量子回路から構成されているため、損失に対してはM個の実数が得られる。このM個の実数に対してさらに処理を行うことで、「損失」という1個の実数が得られる。 Since the lossy quantum circuit consists of M quantum circuits, we get M real numbers for the loss. By further processing the M real numbers, one real number called "loss" is obtained.

この例では、各更新パラメータ量子回路のそれぞれが2M個の量子回路から構成されているため、各更新パラメータに対しては2M個の実数が得られる。2M個の実数に対してさらに処理を行うことで、更新パラメータごとに1個の実数が得られる。更新パラメータの個数はkであるため、k個の更新パラメータが得られる。 In this example, since each update parameter quantum circuit is composed of 2M quantum circuits, 2M real numbers are obtained for each update parameter. Further processing on the 2M reals yields one real for each update parameter. Since the number of update parameters is k, k update parameters are obtained.

例えば、損失及び例えば勾配である更新パラメータの計算は、非特許文献1に記載された手法により行うことができる。 For example, the calculation of the loss and the update parameter, eg the gradient, can be performed by the technique described in Non-Patent Document 1.

損失更新パラメータ計算部6は、探索ステップ数p=0ではなく、かつ、損失が前回の計算された損失から改善されていない場合、pをp←p+1とする。すなわち、pを1だけインクリメントする。 If the number of search steps is not p=0 and the loss has not been improved from the previously calculated loss, the loss update parameter calculator 6 sets p to p←p+1. That is, increment p by one.

<更新部7>
更新部7には、損失更新パラメータ計算部6で計算されたk個の更新パラメータが入力される。
<Update part 7>
The updating unit 7 receives input of the k update parameters calculated by the loss update parameter calculator 6 .

更新部7は、k個の更新パラメータに基づいて、初期化部1で初期化されたk個のパラメータを更新する(ステップS7)。 The update unit 7 updates the k parameters initialized by the initialization unit 1 based on the k update parameters (step S7).

更新されたk個のパラメータは、量子回路生成部2及び制御部8に入力される。 The updated k parameters are input to the quantum circuit generator 2 and the controller 8 .

例えばパラメータが損失に対する勾配である場合には、更新前のパラメータをθ0として、勾配をδとすると、更新後のパラメータをθ0-λδとすることができる。更新部7は、この処理を、k個の更新パラメータのそれぞれについて行うことで、k個のパラメータを更新することができる。 For example, if the parameter is the slope of the loss, the parameter before update is θ 0 and the slope is δ, then the parameter after update can be θ 0 −λδ. The update unit 7 can update the k parameters by performing this process for each of the k update parameters.

<制御部8>
制御部8は、初期化部1で初期化されたk個のパラメータに代えて、更新部7で更新されたk個のパラメータを用いた、量子回路生成部2、符号化部3、量子計算部4、復号部5、損失更新パラメータ計算部6及び更新部7の処理を所定の終了条件を満たすまで繰り返し行うように制御する(ステップS8)。
<Control unit 8>
The control unit 8 controls the quantum circuit generation unit 2, the encoding unit 3, and the quantum calculation using the k parameters updated by the update unit 7 instead of the k parameters initialized by the initialization unit 1. The processing of the unit 4, the decoding unit 5, the loss update parameter calculation unit 6, and the update unit 7 is controlled to be repeated until a predetermined end condition is satisfied (step S8).

所定の終了条件は、例えば探索ステップ数p=許容探索ステップ数Pである。探索ステップ数p=許容探索ステップ数Pである場合には、所定の終了条件が満たされる。 The predetermined termination condition is, for example, search step number p=permissible search step number P. If the number of search steps p=the allowable number of search steps P, then a predetermined termination condition is satisfied.

制御部8は、探索ステップ数p=許容探索ステップ数Pである場合には、これまで損失更新パラメータ計算部6で計算された損失の中で最も値が小さい損失と、その最も値が小さい損失に対応するk個のパラメータとの少なくとも一方を出力して、処理を終了する。損失に対応するk個のパラメータとは、その損失を計算するために用いた損失量子回路に対応する試行量子回路の構成要素となる量子演算を特徴付ける制御可能なk個のパラメータのことである。 When the number of search steps p=the allowable number of search steps P, the control unit 8 determines the smallest loss among the losses calculated so far by the loss update parameter calculation unit 6 and the loss with the smallest value. Output at least one of the k parameters corresponding to , and terminate the process. The k parameters corresponding to the loss are the k controllable parameters that characterize the quantum operations that constitute the trial quantum circuit corresponding to the loss quantum circuit used to calculate the loss.

例えば、損失をある化学物質のエネルギーと定義した場合には、この量子変分アルゴリズムにより得られる最も値が小さい損失はそのある化学物質の最低エネルギーとなる。また、この量子変分アルゴリズムにより得られる最も値が小さい損失に対応するk個のパラメータにより特徴付けられる試行量子回路により、そのある化学物質の量子状態を近似することができる。 For example, if the loss is defined as the energy of a chemical substance, the smallest loss obtained by this quantum variational algorithm is the lowest energy of the chemical substance. The quantum state of the chemical can be approximated by a trial quantum circuit characterized by the k parameters corresponding to the smallest losses obtained by this quantum variational algorithm.

なお、この例では、制御部8の処理は更新部7の処理の直後に行われているが、制御部8の処理は更新部7の処理の直前に行われてもよい。 In this example, the processing of the control unit 8 is performed immediately after the processing of the updating unit 7, but the processing of the control unit 8 may be performed immediately before the processing of the updating unit 7.

このように、量子誤り訂正を用いることで、量子演算装置の誤り率が十分小さい値でなくても、量子変分アルゴリズムを実行することができる。 In this way, by using quantum error correction, a quantum variational algorithm can be executed even if the error rate of the quantum arithmetic device is not sufficiently small.

量子誤り訂正では適切な冗長化のもとで実効的な誤り率を任意の値まで減らすことができる。このため、誤り率の小さい十分な数の量子ビットが与えられれば、任意の規模の問題にまで量子変分アルゴリズムを適用することができるようになる。 Quantum error correction can reduce the effective error rate to an arbitrary value with appropriate redundancy. Therefore, given a sufficient number of qubits with a low error rate, quantum variational algorithms can be applied to problems of arbitrary size.

[変形例]
量子誤り訂正による符号化を行った量子回路で変分的に回転角を更新すると、先に述べたように、第一段階目の符号化では誤り耐性を持たせられない量子演算が生成されてしまうことがありうる。この誤り耐性を持たせられない量子演算は、魔法状態注入及び魔法状態蒸留の手法を用いた第二段階目の符号化により、誤り耐性があるように実現することができるが、この処理には時間がかかることがある。
[Variation]
When the rotation angle is updated variationally in a quantum circuit that has been coded by quantum error correction, as mentioned earlier, the first-stage coding generates quantum operations that cannot be made error-tolerant. can be lost. This error-tolerant quantum operation can be implemented error-tolerantly by second-stage encoding using magic state injection and magic state distillation techniques. It can take time.

このため、更新部7は、量子変分アルゴリズムの実行中にパラメータを更新する際、誤り耐性を持たせることのできない量子演算の数を許容できる数m以下に抑えながら、更新を行ってもよい。これにより、より短い時間で量子変分アルゴリズムの計算を行うことができる。 Therefore, when updating the parameters during the execution of the quantum variational algorithm, the update unit 7 may perform the update while suppressing the number of quantum operations for which error resilience cannot be provided to an allowable number m or less. . This allows computation of the quantum variational algorithm to be performed in a shorter time.

以下では、試行量子回路の構成要素となる量子演算は、単一量子ビットに対する回転操作であり、その量子演算を特徴付ける制御可能なパラメータが回転角であり、更新パラメータが損失に対する勾配である場合を例に挙げて説明する。 In the following, we assume that the quantum operation that constitutes the trial quantum circuit is a rotation operation on a single qubit, the controllable parameter that characterizes the quantum operation is the rotation angle, and the update parameter is the gradient to the loss. An example will be described.

例えば、更新部7は、パラメータを更新する際に、図3に記載された方法により、そのパラメータに対応する、試行量子回路内の量子演算を、誤り耐性を持たせることができない量子演算の数を抑えた近似量子回路で暫定的に置き換えることを決定する。更新部7は、この処理を、各パラメータに対して行う。 For example, when updating a parameter, the updating unit 7 updates the quantum operation in the trial quantum circuit corresponding to the parameter by the method described in FIG. It is decided to provisionally replace with an approximate quantum circuit that suppresses . The update unit 7 performs this process for each parameter.

まず、以下の説明及び図3で現れる記号について説明する。 First, symbols appearing in the following description and FIG. 3 will be described.

Uは、単一量子ビット回転ゲートである。U(θ)のように回転角θを引数とする表現は、回転角θに応じて量子ビットを操作する量子ゲートを意味する。 U is a single-qubit rotation gate. An expression with a rotation angle θ as an argument, such as U(θ), means a quantum gate that operates a quantum bit according to the rotation angle θ.

U0は、更新前の単一量子ビット回転ゲートの、少数の「誤り耐性を持たせられない量子演算」を用いた記述である。言い換えれば、更新部7の処理が2回目以降である場合には、U0は、更新部7の前回の処理で最終的に得られたUoutである。 U 0 is a description of the single-qubit rotation gate before the update, using a small number of "failure-tolerant quantum operations". In other words, when the processing by the updating unit 7 is the second time or later, U 0 is U out finally obtained by the previous processing by the updating unit 7 .

θ0は、更新前の単一量子ビット回転ゲートで分解を試みたゲートの回転角である。 θ 0 is the rotation angle of the gate that was attempted to be decomposed with the single-qubit rotation gate before updating.

δは、勾配であり、単一量子ビット回転ゲートの、回転角の損失に対する実数の微分値である。 δ is the slope, the real derivative of the single-qubit rotation gate with respect to the rotation angle loss.

λは、学習率であり、勾配δに従い回転角をどの程度更新するかを表す実数係数である。 λ is a learning rate, which is a real coefficient representing how much the rotation angle is updated according to the gradient δ.

U'は、勾配を考慮した更新後の単一量子ビット回転ゲートである。 U' is a single-qubit rotation gate after gradient-aware updates.

USKは、Gate decompositionの結果として得られる、高々mSK個の「誤り耐性を持たせられない量子演算」で構成された量子ゲートの記述である。 U SK is a description of a quantum gate composed of at most m SK “non-error-tolerant quantum operations” resulting from Gate decomposition.

mSKは、Gate decompositionの結果として得られるUSKの記述に必要な「誤り耐性を持たせられない量子演算」の数である。 m SK is the number of "non-error-tolerant quantum operations" required to describe the U SK obtained as a result of Gate decomposition.

L’は、繰り返し数であり、更新部7のループをトータルで何回使用するかを表す整数である。 L' is the number of iterations, and is an integer representing how many times the loop of the updating unit 7 is used in total.

Lは、繰り返しのカウンタであり、更新部7のループを今まで何回使用したかを記憶する変数である。 L is a repetition counter, and is a variable that stores how many times the loop of the updating unit 7 has been used.

Uoutは、現在までのループで最も性能の良い単一量子ビット回転ゲートの分解を保持する変数である。 U out is the variable that holds the best performing single-qubit rotation gate decomposition in the loop to date.

εminは、二分法を用いてm個以下の「誤り耐性を持たせられない演算」で表現される最良の単一量子ビット回転ゲートを探索する際の、実現可能なゲート演算誤差の下限である。 ε min is the lower bound on the feasible gate operation error when searching for the best single-qubit rotation gate represented by m or fewer “failure-tolerant operations” using the bisection method. be.

εmaxは、二分法を用いてm個以下の「誤り耐性を持たせられない演算」で表現される最良の単一量子ビット回転ゲートを探索する際の、実現可能なゲート演算誤差の上限である。 ε max is the upper bound on the feasible gate operation error when searching for the best single-qubit rotation gate represented by m or fewer “failure-tolerant operations” using the bisection method. be.

更新部7には、処理の対象となる量子演算についての情報、勾配δ、学習率λ、繰り返し数L'、更新前に探索された量子回路U0、更新前の回転角θ0、誤り耐性を持たせることができない量子演算の数mについての情報が入力される。 The updating unit 7 stores information about the quantum operation to be processed, the gradient δ, the learning rate λ, the number of iterations L′, the quantum circuit U 0 searched before the update, the rotation angle θ 0 before the update, the error resilience Information is input about the number m of quantum operations that cannot have

まず、更新部7は、U'←U(θ0-λδ)とする。すなわち、更新部7は、勾配δ及び学習率λにより更新前の回転角θ0を更新した回転角θ0-λδの回転ゲートをU’とする(ステップS71)。 First, the updating unit 7 sets U'←U(θ 0 -λδ). That is, the update unit 7 sets U′ as a rotation gate of the rotation angle θ 0 −λδ obtained by updating the rotation angle θ 0 before update using the gradient δ and the learning rate λ (step S71).

また、更新部7は、(εminmax)←(0,1),L←0とする(ステップS71)。すなわち、更新部7は、εminを0に、εmaxを1に、Lを0に初期化する。 Further, the update unit 7 sets (ε minmax )←(0,1),L←0 (step S71). That is, the updating unit 7 initializes ε min to 0, ε max to 1, and L to 0.

また、更新部7はUout←U0とする。すなわち、更新部7は、U0をUoutとする(ステップS71)。 Also, the updating unit 7 sets U out ←U 0 . That is, the updating unit 7 sets U 0 to U out (step S71).

更新部7は、(Usk,Msk)←GateDecompose(U’,(εminmax)/2)とする(ステップS72)。 The update unit 7 sets (U sk ,M sk )←GateDecompose(U′,(ε minmax )/2) (step S72).

GateDecomposeは、与えられた単一量子ビット回転ゲートを、与えられた許容エラーの精度のもとで、所定の数よりも少ない数の誤り耐性を持たせられない量子演算で構成される量子ゲートの系列に分解する関数である。 GateDecompose is a quantum gate construct that constructs a given single-qubit rotation gate from less than a given number of quantum operations that are not error-tolerant given the accuracy of the allowable error. It is a function that decomposes into series.

例えば、Solovay-Kitaev法(例えば、参考文献4参照。)やSolovay-Kitaev法を改良した手法(例えば、参考文献5参照。)などをGateDecomposeとして用いることができる。 For example, the Solovay-Kitaev method (see, for example, reference 4) or a method improved from the Solovay-Kitaev method (see, for example, reference 5) can be used as GateDecompose.

〔参考文献4〕Christopher M. Dawson, Michael A. Nielsen, "The Solovay-Kitaev algorithm", arXiv:quant-ph/0505030 (2005)
〔参考文献5〕Neil J. Ross, Peter Selinger, "Optimal ancilla-free Clifford+T approximation of z-rotations", Quantum Information and Computation 16 (11-12):901-953, (2016)
[Reference 4] Christopher M. Dawson, Michael A. Nielsen, "The Solovay-Kitaev algorithm", arXiv:quant-ph/0505030 (2005)
[Reference 5] Neil J. Ross, Peter Selinger, "Optimal ancilla-free Clifford+T approximation of z-rotations", Quantum Information and Computation 16 (11-12):901-953, (2016)

すなわち、更新部7は、与えられた単一量子ビット回転ゲートU’を、与えられた許容エラー(εminmax)/2の精度のもとで、所定の数よりも少ない数の誤り耐性を持たせられない量子演算で構成される量子ゲートの系列USKに分解する。また、この分解により、USKの記述に必要な「誤り耐性を持たせられない量子演算」の数mSKが得られる。 That is, the updating unit 7 converts a given single-qubit rotation gate U′ to a number of errors less than a predetermined number under the accuracy of a given allowable error (ε minmax )/2. Decompose into a series U SK of quantum gates composed of quantum operations that cannot be made tolerant. This decomposition also yields the number m SK of "non-error-tolerant quantum operations" needed to describe U SK .

更新部7は、mSK>mであるか判定する(ステップS73)。 The updating unit 7 determines whether m SK >m (step S73).

mSK>mである場合には、更新部7は、εmin←(εminmax)/2とする(ステップS74)。すなわち、この場合、更新部7は、(εminmax)/2を計算し、その計算結果をεminとする。 If m SK >m, the updating unit 7 sets ε min ←(ε minmax )/2 (step S74). That is, in this case, the updating unit 7 calculates (ε minmax )/2 and sets the calculation result as ε min .

mSK>mでない場合には、更新部7は、εmax←(εminmax)/2とし、Uout←USKとする(ステップS75)。すなわち、この場合、更新部7は、(εminmax)/2を計算し、その計算結果をεmaxとし、USKをUoutとする。 If not m SK >m, the updating unit 7 sets ε max ←(ε minmax )/2 and U out ←US SK (step S75). That is, in this case, the updating unit 7 calculates (ε minmax )/2, sets the calculation result as ε max , and sets U SK as U out .

更新部7は、L=L’であるか判定する(ステップS76)。 The update unit 7 determines whether L=L' (step S76).

L=L’でない場合には、更新部7は、L←L+1とする(ステップS77)。すなわち、更新部7は、Lを1だけインクリメントする。その後、更新部7は、ステップS72に戻る。 If not L=L', the update unit 7 sets L←L+1 (step S77). That is, the update unit 7 increments L by one. After that, the update unit 7 returns to step S72.

L=L’である場合には、更新部7は、各パラメータに対応するUoutについての情報を量子回路生成部2及び制御部8に出力する(ステップS78)。このUoutは、高々m個の誤り耐性を持たせられない量子演算で構成される、更新後のパラメータ(例えば、回転角θ0-λδ)に対応する近似量子回路である。 If L=L', the updating unit 7 outputs information about U out corresponding to each parameter to the quantum circuit generating unit 2 and the control unit 8 (step S78). This U out is an approximate quantum circuit corresponding to updated parameters (for example, rotation angle θ 0 -λδ) composed of at most m error-tolerant quantum operations.

このようにして、更新部7は、パラメータを更新する際に、所定の量子演算を、所定の数よりも少ない数の誤り耐性を持たせることができない量子演算で構成される量子ゲートの系列に分解する関数を用いて、二分探索法により、初期化されたk個のパラメータ又は更新されたk個のパラメータにより特徴付けられる各量子演算を近似する、誤り耐性を持たせることができない量子演算の数を抑えた近似量子回路を探索してもよい。 In this way, when updating the parameters, the updating unit 7 converts a predetermined quantum operation into a series of quantum gates composed of quantum operations that cannot be made less error-tolerant than a predetermined number. A non-error-tolerant quantum operation that approximates each quantum operation characterized by k parameters initialized or updated by binary search using a decomposing function. A reduced number of approximate quantum circuits may be searched.

なお、Uoutについての情報を受け取った量子回路生成部2は、更新後のk個のパラメータにより特徴付けられる試行量子回路内の各パラメータに対応する量子演算を、その各パラメータに対応するUoutで置き換えた試行量子回路に対して、損失量子回路及び更新パラメータ量子回路を生成する。 Note that the quantum circuit generation unit 2 that has received the information about U out performs quantum operations corresponding to each parameter in the trial quantum circuit characterized by the k parameters after updating to U out corresponding to each parameter. Generate a loss quantum circuit and an update parameter quantum circuit for the trial quantum circuit replaced with .

その後の処理は、上記と同様である。すなわち、試行量子回路が、更新されたk個のパラメータにより特徴付けられる試行量子回路内の各パラメータに対応する量子演算を、その各パラメータに対応する更新部7により探索された量子回路で置き換えた試行量子回路であるとして、2回目以降の量子回路生成部2、符号化部3、量子計算部4、復号部5及び損失更新パラメータ計算部6の処理が行われる。 Subsequent processing is the same as above. That is, the trial quantum circuit replaces the quantum operation corresponding to each parameter in the trial quantum circuit characterized by the updated k parameters with the quantum circuit searched by the updating unit 7 corresponding to each parameter. Assuming that it is a trial quantum circuit, the processes of the quantum circuit generator 2, the encoder 3, the quantum calculator 4, the decoder 5, and the loss update parameter calculator 6 are performed for the second and subsequent times.

この置き換えた試行量子回路及びこの生成された損失量子回路は、誤り耐性を持たせることができない量子演算の数がm以下となっているので、符号化部3、量子計算部4及び復号部5の処理に要する時間が短くなる。 This replaced trial quantum circuit and this generated lossy quantum circuit have m or less quantum operations for which error resilience cannot be provided. processing time is reduced.

このように、誤り耐性を持たせることのできない量子演算の数を許容できる数m以下に抑えながら更新を行った場合には、制御部8は、所定の終了条件が満たされたときには、(i)これまで損失更新パラメータ計算部6で計算された損失の中で最も値が小さい損失と、(ii)その最も値が小さい損失に対応するk個のパラメータ及び各パラメータに対応するUoutとの少なくとも一方を出力して、処理を終了する。 In this way, when updating is performed while keeping the number of quantum operations for which error resilience cannot be provided to be less than the allowable number m, the control unit 8, when a predetermined termination condition is satisfied, outputs (i ) the loss with the smallest value among the losses calculated by the loss update parameter calculator 6 so far, and (ii) k parameters corresponding to the loss with the smallest value and U out corresponding to each parameter Output at least one of them and terminate the process.

例えば、損失をある化学物質のエネルギーと定義した場合には、この量子変分アルゴリズムにより得られる最も値が小さい損失はそのある化学物質の最低エネルギーとなる。また、この量子変分アルゴリズムにより得られる最も値が小さい損失に対応するk個のパラメータにより特徴付けられる試行量子回路内の各パラメータに対応する量子演算を、その各パラメータに対応するUoutで置き換えた試行量子回路により、そのある化学物質の量子状態を近似することができる。 For example, if the loss is defined as the energy of a chemical substance, the smallest loss obtained by this quantum variational algorithm is the lowest energy of the chemical substance. Also, the quantum operation corresponding to each parameter in the trial quantum circuit characterized by k parameters corresponding to the smallest loss obtained by this quantum variational algorithm is replaced by U out corresponding to each parameter. A trial quantum circuit can approximate the quantum state of a certain chemical substance.

以上、本発明の実施形態及び変形例について説明したが、具体的な構成は、これらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計の変更等があっても、本発明に含まれることはいうまでもない。 Although the embodiments and modifications of the present invention have been described above, the specific configuration is not limited to these embodiments, and design changes may be made as appropriate without departing from the gist of the present invention. are also included in the present invention.

実施の形態において説明した各種の処理は、記載の順にしたがって、時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。 The various processes described in the embodiments are not only executed in chronological order according to the order of description, but may also be executed in parallel or individually according to the processing capacity of the device that executes the processes or as necessary. .

例えば、量子演算装置の構成部間のデータのやり取りは直接行われてもよいし、図示していない記憶部を介して行われてもよい。 For example, data exchange between components of the quantum arithmetic device may be performed directly or may be performed via a storage unit (not shown).

1 初期化部
2 量子回路生成部
3 符号化部
4 量子計算部
5 復号部
6 損失更新パラメータ計算部
7 更新部
8 制御部
1 Initialization unit 2 Quantum circuit generation unit 3 Encoding unit 4 Quantum calculation unit 5 Decoding unit 6 Loss update parameter calculation unit 7 Update unit 8 Control unit

Claims (3)

kは1以上の所定の整数であり、変分アルゴリズムを実行するための量子回路である試行量子回路の構成要素となる量子演算を特徴付ける制御可能なk個のパラメータを初期化する初期化部と、
前記初期化されたk個のパラメータに対応する前記試行量子回路に対応する損失を計算するための損失量子回路と、前記初期化されたk個のパラメータをそれぞれ更新するために必要なk個の更新パラメータを計算するためのk個の更新パラメータ量子回路とを生成する量子回路生成部と、
前記損失量子回路及び前記k個の更新パラメータ量子回路のそれぞれを符号化する符号化部と、
前記符号化された損失量子回路及び前記k個の更新パラメータ量子回路のそれぞれの実行を行い、実行結果の測定値を得る量子計算部と、
前記実行結果の測定値を復号する復号部と、
前記復号された計算結果を用いて、前記損失及び前記k個の更新パラメータのそれぞれを計算する損失更新パラメータ計算部と、
前記k個の更新パラメータに基づいて、前記初期化されたk個のパラメータを更新する更新部と、
前記初期化されたk個のパラメータに代えて前記更新されたk個のパラメータを用いた、前記量子回路生成部、前記符号化部、前記量子計算部、前記復号部、前記損失更新パラメータ計算部及び前記更新部の処理を所定の終了条件を満たすまで繰り返し行うように制御する制御部と、
を含む量子演算装置。
k is a predetermined integer of 1 or more, and an initialization unit that initializes k controllable parameters that characterize quantum operations that are constituent elements of a trial quantum circuit that is a quantum circuit for executing a variational algorithm ; ,
Loss quantum circuits for calculating losses corresponding to the trial quantum circuits corresponding to the initialized k parameters, and k parameters required to update the initialized k parameters respectively a quantum circuit generator for generating k update parameter quantum circuits for calculating update parameters;
an encoding unit that encodes each of the lossy quantum circuit and the k update parameter quantum circuits;
a quantum computing unit that executes each of the encoded lossy quantum circuit and the k updated parameter quantum circuits and obtains a measurement of execution results;
a decoding unit that decodes the measurement value of the execution result;
a loss update parameter calculation unit that calculates each of the loss and the k update parameters using the decoded calculation result;
an update unit that updates the initialized k parameters based on the k update parameters;
The quantum circuit generation unit, the encoding unit, the quantum calculation unit, the decoding unit, and the loss update parameter calculation unit using the updated k parameters instead of the initialized k parameters. and a control unit that controls to repeatedly perform the processing of the update unit until a predetermined end condition is satisfied;
Quantum computing device including
請求項1の量子演算装置であって、
前記更新部は、更に、所定の量子演算を、所定の数よりも少ない数の誤り耐性を持たせることができない量子演算で構成される量子ゲートの系列に分解する関数を用いて、二分探索法により、前記初期化されたk個のパラメータ又は前記更新されたk個のパラメータにより特徴付けられる各量子演算を近似する、誤り耐性を持たせることができない量子演算の数を抑えた量子回路を探索し、
前記試行量子回路が、前記更新されたk個のパラメータにより特徴付けられる前記試行量子回路内の各パラメータに対応する量子演算を、その各パラメータに対応する前記探索された量子回路で置き換えた試行量子回路であるとして、2回目以降の前記量子回路生成部、前記符号化部、前記量子計算部、前記復号部及び前記損失更新パラメータ計算部の処理が行われる、
量子演算装置。
The quantum arithmetic device of claim 1,
The update unit further uses a function that decomposes a predetermined quantum operation into a series of quantum gates composed of quantum operations that are less than a predetermined number and cannot be made error-tolerant, and performs a binary search. A quantum circuit that approximates each quantum operation characterized by the k initialized parameters or the k updated parameters by a method that reduces the number of quantum operations that cannot be made error-tolerant. explore and
wherein the trial quantum circuit replaces a quantum operation corresponding to each parameter in the trial quantum circuit characterized by the updated k parameters with the searched quantum circuit corresponding to each parameter. Assuming that it is a circuit, the processing of the quantum circuit generation unit, the encoding unit, the quantum calculation unit, the decoding unit, and the loss update parameter calculation unit after the second time is performed.
Quantum computing device.
初期化部が、kは1以上の所定の整数であり、変分アルゴリズムを実行するための量子回路である試行量子回路の構成要素となる量子演算を特徴付ける制御可能なk個のパラメータを初期化する初期化ステップと、
量子回路生成部が、前記初期化されたk個のパラメータに対応する前記試行量子回路に対応する損失を計算するための損失量子回路と、前記初期化されたk個のパラメータをそれぞれ更新するために必要なk個の更新パラメータを計算するためのk個の更新パラメータ量子回路とを生成する量子回路生成ステップと、
符号化部が、前記損失量子回路及び前記k個の更新パラメータ量子回路のそれぞれを符号化する符号化ステップと、
量子計算部が、前記符号化された損失量子回路及び前記k個の更新パラメータ量子回路のそれぞれの実行を行い、実行結果の測定値を得る量子計算ステップと、
復号部が、前記実行結果の測定値を復号する復号ステップと、
損失更新パラメータ計算部が、前記復号された計算結果を用いて、前記損失及び前記k個の更新パラメータのそれぞれを計算する損失更新パラメータ計算ステップと、
更新部が、前記k個の更新パラメータに基づいて、前記初期化されたk個のパラメータを更新する更新ステップと、
制御部が、前記初期化されたk個のパラメータに代えて前記更新されたk個のパラメータを用いた、前記量子回路生成部、前記符号化部、前記量子計算部、前記復号部、前記損失更新パラメータ計算部及び前記更新部の処理を所定の終了条件を満たすまで繰り返し行うように制御する制御ステップと、
を含む量子演算方法。
An initialization unit initializes k controllable parameters that characterize quantum operations, where k is a predetermined integer equal to or greater than 1, and that are constituents of a trial quantum circuit, which is a quantum circuit for executing a variational algorithm . an initialization step that
A quantum circuit generation unit for updating a loss quantum circuit for calculating a loss corresponding to the trial quantum circuit corresponding to the initialized k parameters and the initialized k parameters, respectively. a quantum circuit generation step for generating k update parameter quantum circuits for calculating k update parameters required for
an encoding step in which an encoding unit encodes each of the lossy quantum circuit and the k update parameter quantum circuits;
a quantum computing step in which a quantum computing unit performs respective executions of the encoded lossy quantum circuit and the k updated parameter quantum circuits and obtains a measurement of the execution results;
a decoding step in which the decoding unit decodes the measured value of the execution result;
a loss update parameter calculation step in which a loss update parameter calculation unit calculates each of the loss and the k update parameters using the decoded calculation result;
an update step in which the update unit updates the initialized k parameters based on the k update parameters;
The quantum circuit generation unit, the encoding unit, the quantum calculation unit, the decoding unit, and the loss, wherein the control unit uses the updated k parameters instead of the initialized k parameters. a control step of controlling to repeatedly perform the processing of the update parameter calculation unit and the update unit until a predetermined termination condition is satisfied;
Quantum arithmetic methods, including
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