JP7556546B2 - Quantum information processing method, classical computer, quantum computer, hybrid system, and quantum information processing program for determining energy differential or nonadiabatic coupling - Google Patents
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Description
開示の技術は、エネルギーの微分又は非断熱結合を求めるための量子情報処理方法、古典コンピュータ、量子コンピュータ、ハイブリッドシステム、及び量子情報処理プログラムに関する。 The disclosed technology relates to a quantum information processing method, a classical computer, a quantum computer, a hybrid system, and a quantum information processing program for determining energy derivatives or nonadiabatic coupling.
従来、量子化学分野において、State-Averaged Orbital-Optimization(以下、単に「SA‐OO」と称する。)という手法が知られている(例えば、非特許文献1を参照)。SA‐OOの計算を実行することにより、分子中の電子の複数のエネルギーの固有状態を得ることができる。非特許文献1には、量子コンピュータを用いてSA‐OOの計算を実行する手法が開示されている。 Conventionally, in the field of quantum chemistry, a method called State-Averaged Orbital-Optimization (hereinafter simply referred to as "SA-OO") is known (see, for example, Non-Patent Document 1). By performing SA-OO calculations, it is possible to obtain multiple energy eigenstates of electrons in a molecule. Non-Patent Document 1 discloses a method for performing SA-OO calculations using a quantum computer.
量子コンピュータを用いてSA‐OOの計算を実行すると、基底状態及び励起状態に対応するエネルギーを得ることが可能となる。しかし、量子化学分野においては、エネルギー値そのものだけでなくエネルギーの微分値も得られることが好ましい。さらに、分子または物質の性質を解析する際の重要な物理量の一つとして非断熱結合が知られている。量子化学分野においては、この非断熱結合の値も得られることが好ましい。これに対し、上記非特許文献1では、エネルギーの微分及び非断熱結合の導出については考慮されていない。 When SA-OO calculations are performed using a quantum computer, it is possible to obtain energies corresponding to the ground state and excited states. However, in the field of quantum chemistry, it is preferable to obtain not only the energy value itself but also the energy derivative value. Furthermore, non-adiabatic bonds are known as one of the important physical quantities when analyzing the properties of molecules or substances. In the field of quantum chemistry, it is preferable to obtain the value of this non-adiabatic bond as well. In contrast, the above-mentioned Non-Patent Document 1 does not take into account the derivation of energy derivatives and non-adiabatic bonds.
開示の技術は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、量子コンピュータを用いてSA‐OOの計算を実行する際にもエネルギーの微分値又は非断熱結合の値を得ることができる、量子情報処理方法、古典コンピュータ、量子コンピュータ、ハイブリッドシステム、及び量子情報処理プログラムを提供することを目的とする。 The disclosed technology has been made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a quantum information processing method, a classical computer, a quantum computer, a hybrid system, and a quantum information processing program that can obtain the energy differential value or the value of a nonadiabatic coupling even when performing SA-OO calculations using a quantum computer.
上記の目的を達成するために本開示の第1態様の量子情報処理方法は、古典コンピュータと量子コンピュータとを含むハイブリッドシステムが実行する量子情報処理方法であって、古典コンピュータが、分子の原子核の位置を表す位置パラメータxを変数として持つハミルトニアンH^(x)を計算し、分子軌道に関するパラメータである軌道パラメータκを変数として持つ演算子であって、かつ分子軌道の回転を表す演算子である軌道回転演算子U^OO(κ)を決定し、量子回路のパラメータである回路パラメータθを変数として持つ量子回路U^(θ)を決定し、前記ハミルトニアンH^(x)に対して軌道回転と活性空間への射影とを行うことにより、ハミルトニアンH^(x,κ)を生成し、前記回路パラメータθを変数として持つ第1目的関数を設定し、古典コンピュータと量子コンピュータとの間の繰り返し計算により、古典コンピュータが、量子コンピュータによる量子測定の測定結果に基づいて、前記第1目的関数を最小化又は最大化するような前記量子回路U^(θ)の前記回路パラメータθ*を計算し、古典コンピュータが、前記回路パラメータθ*を定数として持ち、かつ前記軌道パラメータκを変数として持つ目的関数である第2目的関数を設定し、古典コンピュータが、量子コンピュータによる量子測定の測定結果に基づいて、前記第2目的関数を最小化又は最大化するような前記軌道パラメータκ*を計算し、量子コンピュータが、前記回路パラメータθ*と前記軌道パラメータκ*とに基づいて、前記量子回路U^(θ*)及び前記ハミルトニアンH^(x,κ*)の前記位置パラメータxによる微分を含む期待値を量子測定することにより、前記量子測定の測定結果を取得し、古典コンピュータが、前記量子測定の測定結果に基づいて、前記ハミルトニアンH^(x)に対応するエネルギーの微分を計算する、処理を含む量子情報処理方法である。 In order to achieve the above object, a quantum information processing method according to a first aspect of the present disclosure is a quantum information processing method executed by a hybrid system including a classical computer and a quantum computer, in which the classical computer calculates a Hamiltonian H^(x) having, as a variable, a position parameter x representing a position of an atomic nucleus of a molecule, determines an orbital rotation operator U^ OO (κ) which is an operator having, as a variable, an orbital parameter κ which is a parameter related to a molecular orbital and which represents the rotation of the molecular orbital, determines a quantum circuit U^(θ) having, as a variable, a circuit parameter θ which is a parameter of a quantum circuit, generates a Hamiltonian H^(x, κ) by performing orbital rotation and projection onto an active space for the Hamiltonian H^(x), sets a first objective function having the circuit parameter θ as a variable, and by iterative calculations between the classical computer and the quantum computer, the classical computer calculates the circuit parameter θ * of the quantum circuit U^(θ) such that the first objective function is minimized or maximized based on a measurement result of a quantum measurement by the quantum computer, and the classical computer calculates the circuit parameter θ a classical computer calculates the orbital parameter κ * so as to minimize or maximize the second objective function based on a measurement result of a quantum measurement by a quantum computer; the quantum computer acquires a measurement result of the quantum measurement by quantum measuring an expectation value including a derivative of the quantum circuit U^(θ * ) and the Hamiltonian H^(x, κ * ) with respect to the position parameter x based on the circuit parameter θ* and the orbital parameter κ * ; and the classical computer calculates a derivative of the energy corresponding to the Hamiltonian H^(x) based on the measurement result of the quantum measurement.
本開示の第2態様の量子情報処理方法は、古典コンピュータと量子コンピュータとを含むハイブリッドシステムが実行する量子情報処理方法であって、古典コンピュータが、分子の原子核の位置を表す位置パラメータxを変数として持つハミルトニアンH^(x)を計算し、分子軌道に関するパラメータである軌道パラメータκを変数として持つ演算子であって、かつ分子軌道の回転を表す演算子である軌道回転演算子U^OO(κ)を決定し、量子回路のパラメータである回路パラメータθを変数として持つ量子回路U^(θ)を決定し、前記ハミルトニアンH^(x)に対して軌道回転と活性空間への射影とを行うことにより、ハミルトニアンH^(x,κ)を生成し、前記回路パラメータθを変数として持つ第1目的関数を設定し、古典コンピュータと量子コンピュータとの間の繰り返し計算により、古典コンピュータが、量子コンピュータによる量子測定の測定結果に基づいて、量子コンピュータが、前記第1目的関数を最小化又は最大化するような前記量子回路U^(θ)の前記回路パラメータθ*を計算し、古典コンピュータが、前記回路パラメータθ*を定数として持ち、かつ前記軌道パラメータκを変数として持つ目的関数である第2目的関数を設定し、古典コンピュータが、量子コンピュータによる量子測定の測定結果に基づいて、量子コンピュータが、前記第2目的関数を最小化又は最大化するような前記軌道パラメータκ*を計算し、量子コンピュータが、前記回路パラメータθ*と前記軌道パラメータκ*とに基づいて、前記量子回路U^(θ*)及び前記軌道回転演算子U^OO(κ*)の前記位置パラメータxによる微分を含む期待値を量子測定することにより、前記量子測定の測定結果を取得し、古典コンピュータが、前記量子測定の測定結果に基づいて、非断熱結合の値を計算する、処理を含む量子情報処理方法である。 A quantum information processing method according to a second aspect of the present disclosure is a quantum information processing method executed by a hybrid system including a classical computer and a quantum computer, in which the classical computer calculates a Hamiltonian H^(x) having, as a variable, a position parameter x representing a position of an atomic nucleus of a molecule, determines an orbital rotation operator U^ OO (κ) which is an operator having, as a variable, an orbital parameter κ which is a parameter related to a molecular orbital and which represents the rotation of the molecular orbital, determines a quantum circuit U^(θ) having, as a variable, a circuit parameter θ which is a parameter of a quantum circuit, generates a Hamiltonian H^(x, κ) by performing orbital rotation and projection onto an active space for the Hamiltonian H^(x), sets a first objective function having the circuit parameter θ as a variable, and by iterative calculations between the classical computer and the quantum computer, the classical computer calculates, based on a measurement result of a quantum measurement by the quantum computer, the circuit parameter θ* of the quantum circuit U^(θ) such that the quantum computer minimizes or maximizes the first objective function, and the classical computer calculates a circuit parameter θ * of the quantum circuit U^(θ) such that the quantum computer minimizes or maximizes the first objective function, a classical computer sets a second objective function, which is an objective function having θ* as a constant and the orbital parameter κ as a variable, based on a measurement result of a quantum measurement by a quantum computer, the quantum computer calculates the orbital parameter κ * such that the second objective function is minimized or maximized, the quantum computer performs quantum measurement of expectation values including derivatives of the quantum circuit U^(θ * ) and the orbital rotation operator U^ OO (κ * ) with respect to the position parameter x based on the circuit parameter θ * and the orbital parameter κ* to obtain a measurement result of the quantum measurement, and the classical computer calculates a value of the nonadiabatic coupling based on the measurement result of the quantum measurement.
開示の技術によれば、量子コンピュータを用いてSA‐OOの計算を実行する際にエネルギーの微分値を得ることができる、という効果が得られる。また、開示の技術によれば、量子コンピュータを用いてSA‐OOの計算を実行する際に非断熱結合の値を得ることができる、という効果が得られる。 The disclosed technology has the advantage that it is possible to obtain the energy differential value when performing SA-OO calculations using a quantum computer. In addition, the disclosed technology has the advantage that it is possible to obtain the value of nonadiabatic coupling when performing SA-OO calculations using a quantum computer.
以下、図面を参照して開示の技術の実施形態を詳細に説明する。 Below, an embodiment of the disclosed technology will be described in detail with reference to the drawings.
<実施形態に係るハイブリッドシステム100> <Hybrid system 100 according to the embodiment>
図1に、実施形態に係るハイブリッドシステム100を示す。本実施形態のハイブリッドシステム100は、古典コンピュータ110と量子コンピュータ120とユーザ端末130とを備える。古典コンピュータ110と量子コンピュータ120とユーザ端末130とは、図1に示されるように、一例としてIPネットワークなどのコンピュータネットワークを介して接続されている。 Figure 1 shows a hybrid system 100 according to an embodiment. The hybrid system 100 of this embodiment includes a classical computer 110, a quantum computer 120, and a user terminal 130. As shown in Figure 1, the classical computer 110, the quantum computer 120, and the user terminal 130 are connected via a computer network, such as an IP network.
本実施形態のハイブリッドシステム100においては、量子コンピュータ120が古典コンピュータ110からの要求に応じて所定の量子計算を行い、当該量子計算の計算結果を古典コンピュータ110へ出力する。古典コンピュータ110はユーザ端末130へ量子計算に応じた計算結果を出力する。これにより、ハイブリッドシステム100全体として所定の計算処理が実行される。 In the hybrid system 100 of this embodiment, the quantum computer 120 performs a specified quantum calculation in response to a request from the classical computer 110, and outputs the calculation result of the quantum calculation to the classical computer 110. The classical computer 110 outputs the calculation result according to the quantum calculation to the user terminal 130. In this way, the specified calculation process is executed by the hybrid system 100 as a whole.
古典コンピュータ110は、通信インターフェース等の通信部111と、プロセッサ、CPU(Central processing unit)等の処理部112と、メモリ、ハードディスク等の記憶装置又は記憶媒体を含む情報記憶部113とを備え、各処理を行うためのプログラムを実行することによって構成されている。なお、古典コンピュータ110は1又は複数の装置ないしサーバを含むことがある。また、当該プログラムは1又は複数のプログラムを含むことがあり、また、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記録して非一過性のプログラムプロダクトとすることできる。 The classical computer 110 is configured by having a communication unit 111 such as a communication interface, a processing unit 112 such as a processor or a CPU (Central processing unit), and an information storage unit 113 including a storage device or storage medium such as a memory or a hard disk, and by executing a program for performing each process. Note that the classical computer 110 may include one or more devices or servers. The program may include one or more programs, and may be recorded on a computer-readable storage medium to form a non-transient program product.
量子コンピュータ120は、一例として、古典コンピュータ110から送信される情報に基づいて量子ビット群123のうちの少なくとも何れかの量子ビットへ照射するための電磁波を生成する。そして、量子コンピュータ120は、生成された電磁波を、量子ビット群123のうちの少なくとも何れかの量子ビットへ照射することにより、量子回路を実行する。 As an example, the quantum computer 120 generates electromagnetic waves to be irradiated to at least one of the quantum bits in the quantum bit group 123 based on information transmitted from the classical computer 110. The quantum computer 120 then executes a quantum circuit by irradiating the generated electromagnetic waves to at least one of the quantum bits in the quantum bit group 123.
図1の例では、量子コンピュータ120は、古典コンピュータ110と通信を行う制御装置121と、制御装置121からの要求に応じて電磁波を生成する電磁波生成装置122と、電磁波生成装置122からの電磁波照射を受ける量子ビット群123とを備える。量子コンピュータ120のうちの電磁波生成装置122及び量子ビット群123は、QPU(Quantum processing unit)でもある。なお、本実施形態において「量子コンピュータ」とは、古典ビットによる演算を一切行わないことを意味するものではなく、量子ビットによる演算を含むコンピュータをいう。 In the example of FIG. 1, the quantum computer 120 includes a control device 121 that communicates with the classical computer 110, an electromagnetic wave generating device 122 that generates electromagnetic waves in response to a request from the control device 121, and a group of quantum bits 123 that receives electromagnetic wave irradiation from the electromagnetic wave generating device 122. The electromagnetic wave generating device 122 and the group of quantum bits 123 of the quantum computer 120 are also QPUs (Quantum Processing Units). Note that in this embodiment, "quantum computer" does not mean that no operations are performed using classical bits, but refers to a computer that includes operations using quantum bits.
制御装置121は、古典ビットにより演算を行う古典コンピュータであり、古典コンピュータ110において行うものとして本明細書にて説明する処理の一部又は全部を代替的に行う。例えば、制御装置121は、量子回路を予め記憶又は決定しておき、量子回路U^(θ)のパラメータθを受信したことに応じて、量子ビット群123において量子回路U^(θ)を実行するための量子ゲート情報を生成してもよい。 The control device 121 is a classical computer that performs calculations using classical bits, and instead performs some or all of the processing described in this specification as being performed by the classical computer 110. For example, the control device 121 may store or determine a quantum circuit in advance, and generate quantum gate information for executing the quantum circuit U^(θ) in the quantum bit group 123 in response to receiving a parameter θ of the quantum circuit U^(θ).
ユーザ端末130は、古典ビットにより演算を行う古典コンピュータである。ユーザ端末130は、ユーザから入力された情報を受け付け、当該情報に応じた処理を実行する。 The user terminal 130 is a classical computer that performs calculations using classical bits. The user terminal 130 accepts information input by a user and executes processing according to that information.
古典コンピュータ110、制御装置121、及びユーザ端末130は、例えば、図2に示すコンピュータ50で実現することができる。コンピュータ50はCentral processing unit(CPU)51、一時記憶領域としてのメモリ52、及び不揮発性の記憶部53を備える。また、コンピュータ50は、外部装置及び出力装置等が接続される入出力interface(I/F)54、及び記録媒体に対するデータの読み込み及び書き込みを制御するread/write(R/W)部55を備える。また、コンピュータ50は、インターネット等のネットワークに接続されるネットワークI/F56を備える。CPU51、メモリ52、記憶部53、入出力I/F54、R/W部55、及びネットワークI/F56は、バス57を介して互いに接続される。 The classical computer 110, the control device 121, and the user terminal 130 can be realized, for example, by a computer 50 shown in FIG. 2. The computer 50 includes a central processing unit (CPU) 51, a memory 52 as a temporary storage area, and a non-volatile storage unit 53. The computer 50 also includes an input/output interface (I/F) 54 to which external devices and output devices are connected, and a read/write (R/W) unit 55 that controls the reading and writing of data from and to a recording medium. The computer 50 also includes a network I/F 56 that is connected to a network such as the Internet. The CPU 51, the memory 52, the storage unit 53, the input/output I/F 54, the R/W unit 55, and the network I/F 56 are connected to one another via a bus 57.
実施形態のハイブリッドシステム100は、エネルギーの1階微分、エネルギーの2階微分、又は非断熱結合値を計算する。以下、前提となる事項について説明する。 The hybrid system 100 of the embodiment calculates the first derivative of the energy, the second derivative of the energy, or the nonadiabatic coupling value. The following describes the prerequisites.
(ハミルトニアンの説明)
分子の電子状態を表すハミルトニアンは、原子核の位置座標を表す位置パラメータxに依存する。位置パラメータxはベクトルである。ハミルトニアンを古典コンピュータ上で計算する手法に関しては、例えば、以下の参考文献を参照されたい。
(Explanation of Hamiltonian)
The Hamiltonian, which represents the electronic state of a molecule, depends on the position parameter x, which represents the position coordinates of the atomic nuclei. The position parameter x is a vector. For a method of calculating the Hamiltonian on a classical computer, see, for example, the following references.
参考文献1:S. McArdle, S. Endo, A. Aspuru-Guzik, S. C. Benjamin, and X. Yuan, Quantum computational chemistry, Rev. Mod. Phys. 92, 015003 (2020).
参考文献2:Y. Cao, J. Romero, J. P. Olson, M. Degroote, P. D. Johnson, M. Kieferova, I. D. Kivlichan, T. Menke, B. Peropadre, N. P. D. Sawaya, S. Sim, L. Veis, and A. Aspuru-Guzik, Quantum chemistry in the age of quantum computing, Chemical Reviews 119, 10856 (2019).
Reference 1: S. McArdle, S. Endo, A. Aspuru-Guzik, SC Benjamin, and X. Yuan, Quantum computational chemistry, Rev. Mod. Phys. 92, 015003 (2020).
Reference 2: Y. Cao, J. Romero, JP Olson, M. Degroote, PD Johnson, M. Kieferova, ID Kivlichan, T. Menke, B. Peropadre, NPD Sawaya, S. Sim, L. Veis, and A Aspuru-Guzik, Quantum chemistry in the age of quantum computing, Chemical Reviews 119, 10856 (2019).
ハミルトニアンは、以下の式(1)によって表される。 The Hamiltonian is expressed by the following equation (1).
なお、数式中において、記号(例えば、X)上に“-”が付された文字を、以下では、X-等として表す場合がある。また、数式中において、記号(例えば、X)上に“^”が付された文字を、以下では、X^として表す場合がある。 In addition, in a mathematical formula, a character with a "-" above a symbol (e.g., X) may be hereinafter represented as X- , etc. In addition, in a mathematical formula, a character with a "^" above a symbol (e.g., X) may be hereinafter represented as X^.
上記式(1)におけるEc(x)は、位置パラメータxに依存するスカラー値である。また、
は、i番目の分子軌道におけるスピンσに関する生成消滅演算子である。この生成消滅演算子は、以下のフェルミオンの反交換関係を満たす。
In the above formula (1), E c (x) is a scalar value that depends on the location parameter x.
is the creation and annihilation operator for the spin σ in the i-th molecular orbital. This creation and annihilation operator satisfies the following anticommutation relation of fermions:
は、反交換子である。δはクロネッカーのデルタである。
is the anticommutator. δ is the Kronecker delta.
hij(x)は一電子積分と称され、gijkl(x)は二電子積分と称される。なおi,j,k,lは、インデックスである。位置パラメータxが、分子の原子核の座標である場合、以下のような定義がなされる。 h ij (x) is called the one-electron integral, and g ijkl (x) is called the two-electron integral, where i, j, k, and l are indices. If the position parameter x is the coordinate of the nucleus of the molecule, it is defined as follows:
ここで、φi(r;x)は、i番目の分子軌道における電子の波動関数である。rは、電子の位置座標である。I番目の原子核の座標はRIであり、その電荷はZIである。 Here, φ i (r; x) is the wave function of the electron in the i th molecular orbital, r is the position coordinate of the electron, the coordinate of the I th nucleus is R I and its charge is Z I.
分子軌道の数がNである場合、ハミルトニアンを行列によって表現したときのサイズはO(eN)となる。このため、古典コンピュータが巨大な分子のハミルトニアンを計算することは困難である。 When the number of molecular orbitals is N, the size of the Hamiltonian expressed by a matrix is O(e N ), which makes it difficult for a classical computer to calculate the Hamiltonian of a large molecule.
一方、分子軌道の数がNの場合、量子コンピュータは2N個の量子ビットでハミルトニアンを扱うことができる。このため、ハミルトニアンを用いて分子軌道に関する計算を実行する場合、量子コンピュータは古典コンピュータに比べて優位性を有している。 On the other hand, when the number of molecular orbitals is N, a quantum computer can handle the Hamiltonian with 2N quantum bits. Therefore, quantum computers have an advantage over classical computers when performing calculations related to molecular orbitals using Hamiltonians.
[State-averaged orbital optimization]
(活性空間近似)
ハミルトニアンを用いて分子軌道に関する計算を実行する際に、量子コンピュータは古典コンピュータに比べ優位性がある。しかし、現時点の量子コンピュータの計算能力は未だ低い。そこで、本実施形態では、活性空間の近似(以下、活性空間近似と称する。)を導入する。活性空間近似は、古典コンピュータによる量子化学計算においても導入されている。
[State-averaged orbital optimization]
(Active space approximation)
When performing calculations related to molecular orbitals using a Hamiltonian, quantum computers have an advantage over classical computers. However, the computational capabilities of quantum computers at present are still low. Therefore, in this embodiment, the approximation of the active space (Hereinafter, this will be referred to as the active space approximation.) The active space approximation is also introduced in quantum chemical calculations using classical computers.
活性空間近似においては、高いエネルギーを有する軌道(仮想軌道とも称される。)は空いているのに対し、低いエネルギーを有する軌道(占有軌道又はコア軌道とも称される。)は二重占有状態となっていると考えられている。電子の重ね合わせは活性空間における軌道についてのみ考慮されるため、計算に用いられる量子ビットの数を低減させることができる。数学的には、活性空間近似における波動関数は次式によって表される。 In the active space approximation, orbitals with high energy (also called virtual orbitals) are considered to be unoccupied, while orbitals with low energy (also called occupied or core orbitals) are considered to be doubly occupied. Since electron superposition is only considered for orbitals in the active space, the number of qubits used in the calculation can be reduced. Mathematically, the wave function in the active space approximation is expressed by the following equation:
は、仮想軌道に対応する状態である。|ψ>は活性空間における波動関数であり状態を表す。
is the state corresponding to the virtual orbital. |ψ> is the wave function in the active space and represents the state.
は、占有軌道に対応する状態である。
is the state corresponding to an occupied orbital.
ハミルトニアンの活性空間への射影を実行する演算子Pは、活性空間における任意の状態|ψ>を用いて以下の式によって表される。 The operator P, which performs the projection of the Hamiltonian onto the active space, is expressed by the following equation using an arbitrary state |ψ〉 in the active space.
(Orbital optimization and state average)
活性空間近似の近似精度を向上させるために、「軌道最適化」と称される分子軌道の最適化が利用される場合がある。軌道最適化は、以下のユニタリ演算子であるU^OO(κ)によって定式化される。
(Orbital optimization and state average)
In order to improve the accuracy of the active space approximation, optimization of molecular orbitals, called "orbital optimization", may be used. Orbital optimization is performed by using the following unitary operator U^ OO ( κ) is formulated as follows:
ここで、κは分子軌道に関するパラメータである。以下、κを軌道パラメータと称する。なお、κpqは行列である軌道パラメータκの要素を表す。p,qは分子軌道を表すインデックスである。 Here, κ is a parameter related to a molecular orbital. Hereinafter, κ will be referred to as an orbital parameter. Note that κ pq represents elements of the orbital parameter κ, which is a matrix. p and q are indexes representing a molecular orbital.
U^OO(κ)は、ハミルトニアンH^(x)をUoo^†(κ)H^(x)U^OO(κ)へと変換するための演算子であり、軌道パラメータκを変数として持つ分子軌道の回転を表す演算子である。以下、U^OO(κ)を軌道回転演算子と称する。 U^ OO (κ) is an operator for converting the Hamiltonian H^(x) into U oo ^ † (κ)H^(x)U^ OO (κ), and is an operator representing the rotation of a molecular orbital having the orbital parameter κ as a variable. Hereinafter, U^ OO (κ) will be referred to as the orbital rotation operator.
ここで、軌道回転演算子U^OO(κ)によって回転され、かつ活性空間へ写像されたハミルトニアンH^(x,κ)は、以下の式によって定義される。なお、Pは活性空間への射影演算子である。 Here, the Hamiltonian H^(x, κ) rotated by the orbital rotation operator U^ OO (κ) and mapped to the active space is defined by the following equation: where P is the projection operator onto the active space.
量子化学計算における軌道最適化では、活性空間におけるハミルトニアンH^(x,κ)に対応するエネルギーが最小化されるような軌道パラメータκが計算される。本実施形態では、活性空間におけるハミルトニアンH^(x,κ)の状態平均エネルギーの最適化を考慮する。具体的には、本実施形態では、状態平均エネルギーを以下のように定義する。 In orbital optimization in quantum chemical calculations, an orbital parameter κ is calculated such that the energy corresponding to the Hamiltonian H^(x, κ) in the active space is minimized. In this embodiment, optimization of the state average energy of the Hamiltonian H^(x, κ) in the active space is considered. Specifically, in this embodiment, the state average energy is defined as follows:
ここで、次式は、活性空間におけるハミルトニアンH^(x,κ)のうちのK個の固有エネルギーである。 Here, the following equations are the K eigenenergies of the Hamiltonian H^(x, κ) in the active space:
なお、K個の固有エネルギーは、活性空間におけるハミルトニアンH^(x,κ)に対応するエネルギーのうち、低い順にK個選択された固有エネルギーである。 The K eigenenergies are the K lowest eigenenergies selected from the energies corresponding to the Hamiltonian H^(x, κ) in the active space.
また、次式は、正の重み係数である。 The following equation is also a positive weighting coefficient:
上記式の正の重み係数は、次式を満たす。 The positive weight coefficients in the above formula satisfy the following formula:
なお、本実施形態ではハミルトニアンH^(x,κ)に対応するエネルギーのうちの低いK個の固有エネルギーが固有エネルギーの集合{ES}として選択されるが、低いK個の固有エネルギー以外の固有エネルギーの集合{ES}が選択されてもよい。 In this embodiment, the lowest K eigenenergies among the energies corresponding to the Hamiltonian H^(x, κ) are selected as the set of eigenenergies {E S }, but a set of eigenenergies {E S } other than the lowest K eigenenergies may also be selected.
以下の参考文献においては、軌道最適化計算は、Variational Quantum Eigensolver(VQE)と組み合わせて実行される。 In the following references, orbital optimization calculations are performed in combination with a Variational Quantum Eigensolver (VQE).
参考文献3:W. Mizukami, K. Mitarai, Y. O. Nakagawa, T. Yamamoto, T. Yan, and Y.-y. Ohnishi, Orbital optimized unitary coupled cluster theory for quantum computer, Phys. Rev. Research 2, 033421 (2020).
参考文献4:T. Takeshita, N. C. Rubin, Z. Jiang, E. Lee, R. Babbush, and J. R. McClean, Increasing the representation accuracy of quantum simulations of chemistry without extra quantum resources, Phys. Rev. X 10, 011004 (2020).
Reference 3: W. Mizukami, K. Mitarai, YO Nakagawa, T. Yamamoto, T. Yan, and Y.-y. Ohnishi, Orbital optimized unitary coupled cluster theory for quantum computer, Phys. Rev. Research 2, 033421 ( 2020).
Reference 4: T. Takeshita, NC Rubin, Z. Jiang, E. Lee, R. Babbush, and JR McClean, Increasing the representation accuracy of quantum simulations of chemistry without extra quantum resources, Phys. Rev. 2020).
VQEは、ハミルトニアンH^(x)の基底状態を得るためのアルゴリズムである。なお、以下の参考文献において状態平均のための軌道最適化計算も提案されている。一方で、上記非特許文献1及び以下の参考文献に開示されているsubspace search VQE(SSVQE)では、基底状態及び励起状態が計算されている。 VQE is an algorithm for obtaining the ground state of the Hamiltonian H^(x). Note that the following reference also proposes an orbital optimization calculation for state averaging. On the other hand, subspace search VQE (SSVQE) disclosed in the above non-patent document 1 and the following reference calculates the ground state and excited states.
参考文献5:K. M. Nakanishi, K. Mitarai, and K. Fujii, Subspacesearch variational quantum eigensolver for excited states, Phys. Rev. Research 1, 033062 (2019). Reference 5: K. M. Nakanishi, K. Mitarai, and K. Fujii, Subspacesearch variational quantum eigensolver for excited states, Phys. Rev. Research 1, 033062 (2019).
そこで、本実施形態では、ハミルトニアンH^(x,κ)の固有状態を計算するためのアルゴリズムとして3つの手法を採用する。具体的には、本実施形態では、SSVQE、multistate-contracted VQE(MCVQE)、及びvariational quantum deflation(VQD)を用いてハミルトニアンH^(x,κ)の固有状態を計算する。MCVQE及びVQDは、以下の参考文献に開示されている。 Therefore, in this embodiment, three methods are adopted as algorithms for calculating the eigenstates of the Hamiltonian H^(x, κ). Specifically, in this embodiment, the eigenstates of the Hamiltonian H^(x, κ) are calculated using SSVQE, multistate-contracted VQE (MCVQE), and variational quantum deflation (VQD). MCVQE and VQD are disclosed in the following references.
参考文献6:R. M. Parrish, E. G. Hohenstein, P. L. McMahon, and T. J. Martinez, Quantum computation of electronic transitions using a variational quantum eigensolver, Phys. Rev. Lett. 122, 230401 (2019).
参考文献7:O. Higgott, D. Wang, and S. Brierley, Variational Quantum Computation of Excited States, Quantum 3, 156 (2019).
Reference 6: RM Parrish, EG Hohenstein, PL McMahon, and TJ Martinez, Quantum computation of electronic transitions using a variational quantum eigensolver, Phys. Rev. Lett. 122, 230401 (2019).
Reference 7: O. Higgott, D. Wang, and S. Brierley, Variational Quantum Computation of Excited States, Quantum 3, 156 (2019).
また、本実施形態では、状態平均エネルギーにおける軌道最適化計算(SA‐OO)と上記3つの各々のアルゴリズムとを組み合わせた手法の各々を、以下、SA‐OO‐SSVQE、SA‐OO‐MCVQE、及びSA‐OO‐VQDと称する。なお、上記非特許文献1に開示されているSA‐OO‐VQEは、本実施形態のSA‐OO‐SSVQEに対応する。 In addition, in this embodiment, the methods that combine the orbital optimization calculation at state average energy (SA-OO) with each of the three algorithms mentioned above are hereinafter referred to as SA-OO-SSVQE, SA-OO-MCVQE, and SA-OO-VQD. Note that SA-OO-VQE disclosed in the above non-patent document 1 corresponds to SA-OO-SSVQE in this embodiment.
図3に、本実施形態のアルゴリズムを説明するための図を示す。上記3つのSA‐OOアルゴリズムは、図3に示されるように、2つのステップから構成されている。具体的には、活性空間におけるハミルトニアンH^(x,κ)に対して、図3の左側において示されるような軌道最適化と、図3の右側において示されるような波動関数の最適化とが繰り返される。これらの処理は、状態平均エネルギーが収束するまで繰り返される。 Figure 3 shows a diagram for explaining the algorithm of this embodiment. As shown in Figure 3, the above three SA-OO algorithms consist of two steps. Specifically, for the Hamiltonian H^(x, κ) in the active space, orbital optimization as shown on the left side of Figure 3 and wave function optimization as shown on the right side of Figure 3 are repeated. These processes are repeated until the state average energy converges.
より具体的には、第1のステップとして、活性空間におけるハミルトニアンH^(x,κ)の固有状態を得るための波動関数(又は量子回路の状態)の最適化が実行される。第2のステップとして、状態平均エネルギーを減少させるために軌道パラメータκが更新される。なお、第2のステップは、第1のステップで最適化された波動関数の密度行列が用いられる。以下、3つのアルゴリズムについて詳細に説明する。 More specifically, in the first step, optimization of the wave function (or the state of the quantum circuit) is performed to obtain the eigenstates of the Hamiltonian H^(x, κ) in the active space. In the second step, the orbital parameter κ is updated to reduce the state average energy. Note that in the second step, the density matrix of the wave function optimized in the first step is used. The three algorithms are explained in detail below.
(SA‐OO‐SSVQE)
まず、SA‐OO‐SSVQEについて説明する。SA‐OO‐SSVQEでは、互いに直交する以下の固有状態が設定される。
(SA-OO-SSVQE)
First, SA-OO-SSVQE will be described. In SA-OO-SSVQE, the following eigenstates that are orthogonal to each other are set.
なお、Sは固有状態を識別するためのインデックスであり、固有状態はK個存在する。 Note that S is an index for identifying an eigenstate, and there are K eigenstates.
また、回路パラメータθを有するユニタリ演算子である量子回路U^(θ)が設定される。そして、SA‐OO‐SSVQEでは、以下の損失関数が最小化されるように回路パラメータθが最適化される。 A quantum circuit U^(θ) is set, which is a unitary operator with a circuit parameter θ. In SA-OO-SSVQE, the circuit parameter θ is optimized so that the following loss function is minimized:
なお、ws VQEは、次式を満たす重み係数である。 Here, w s VQE is a weighting coefficient that satisfies the following equation.
損失関数が最小となる最適な回路パラメータθ*を用いると、K個の固有状態は以下の式によって表される。 When the optimal circuit parameters θ * that minimize the loss function are used, the K eigenstates are expressed by the following equation.
また、固有エネルギーは以下の式によって表される。 The specific energy is expressed by the following formula:
なお、SSVQEにおける重み係数ws VQEは、状態平均エネルギーの重み係数ws SAとは関係ない。 It should be noted that the weighting factor w s VQE in SSVQE is not related to the weighting factor w s SA of the state average energy.
本実施形態では、SA‐OO‐SSVQEにおける波動関数を最適化する際に、以下の式に示されるSSVQEの損失関数ESSVQEが最小となるような回路パラメータθ*を計算する。 In this embodiment, when optimizing the wave function in the SA-OO-SSVQE, a circuit parameter θ * is calculated such that the loss function E SSVQE of the SSVQE shown in the following equation is minimized.
式(9)では、式(8)のハミルトニアンHが、活性空間におけるハミルトニアンH^(x,κ)へと置き換わっている。式(9)においては、軌道パラメータκが固定されたESSVQEに基づいて回路パラメータθが最適化される。そして、最適な回路パラメータθ*を有する量子回路U^(θ*)に基づいてハミルトニアンH^(x,κ)の固有状態及び固有エネルギーが得られる。その後、後述する軌道パラメータの最適化計算が実行される。 In equation (9), the Hamiltonian H in equation (8) is replaced with the Hamiltonian H^(x, κ) in the active space. In equation (9), the circuit parameter θ is optimized based on the ESSVQE with the orbital parameter κ fixed. Then, the eigenstates and eigenenergies of the Hamiltonian H^(x, κ) are obtained based on the quantum circuit U^(θ * ) having the optimal circuit parameter θ * . Then, the optimization calculation of the orbital parameters described later is performed.
軌道パラメータの最適化の際に用いられる状態平均エネルギーESAは、以下の式によって定義される。以下の状態平均エネルギーESAが最小となるような軌道パラメータκ*が計算される。 The state average energy E SA used in optimizing the orbital parameters is defined by the following equation: The orbital parameters κ * are calculated so that the state average energy E SA below is minimized.
なお、上記式におけるθは、上述した処理によって最適化された回路パラメータθ*である。状態平均エネルギーESAが収束するまで、回路パラメータθの更新と軌道パラメータκの更新とが繰り返される。 In the above formula, θ is the circuit parameter θ * optimized by the above-mentioned process. Updating of the circuit parameter θ and updating of the trajectory parameter κ are repeated until the state average energy E SA converges.
(SA‐OO‐VQD)
次に、SA‐OO‐VQDについて説明する。VQDは、ハミルトニアンの励起状態を得るためのアルゴリズムである。まず、以下の式に示すように、固有状態を得るための量子回路が設定される。
(SA-OO-VQD)
Next, SA-OO-VQD will be described. VQD is an algorithm for obtaining an excited state of a Hamiltonian. First, a quantum circuit for obtaining an eigenstate is set as shown in the following formula.
ここで、|ψ>は初期状態であり、U^(θ)は量子回路である。ここで、仮に次式に示されるようなS-1個の固有状態が得られたとする。 Here, |ψ〉 is the initial state, and U^(θ) is the quantum circuit. Suppose we have obtained S-1 eigenstates as shown in the following equation.
この場合、S番目の固有状態を得るためのVQDの損失関数の値が最小となるような回路パラメータθ*によって表されるS番目のハミルトニアンの固有状態は、以下の式によって表される。 In this case, the eigenstate of the S-th Hamiltonian represented by the circuit parameter θ * such that the value of the loss function of the VQD for obtaining the S-th eigenstate is minimized is expressed by the following equation.
βTは、|ψ(θS)>の直交性を担保するための正の定数である。損失関数FS(θS)を最小化するような回路パラメータθ*によって表されるS番目の固有状態は、次式で表される。 β T is a positive constant for ensuring the orthogonality of |ψ(θ S )>. The S-th eigenstate represented by the circuit parameter θ * that minimizes the loss function F S (θ S ) is expressed by the following equation.
損失関数FSの最適化がS=0から順に実行され、繰り返し計算によってK番目の損失関数FSが最適化される。 Optimization of the loss function F 2 S is performed in order starting from S=0, and the K-th loss function F 2 S is optimized by repeated calculations.
本実施形態のSA‐OO‐VQDでは、活性空間におけるハミルトニアンH^(x,κ)の固有状態を計算するためのS番目の回路パラメータθS *は、VQDを実行することにより得られる。具体的には、以下に示すFS VQD(θS)をS=0,...,K-1について最小化することにより、回路パラメータθ0 *,...,θK-1 *が得られる。 In the SA-OO-VQD of this embodiment, the S-th circuit parameter θ S * for calculating the eigenstate of the Hamiltonian H^(x,κ) in the active space is obtained by executing VQD. Specifically, the circuit parameters θ 0 * ,...,θ K-1 * are obtained by minimizing F S VQD (θ S ) shown below for S=0,...,K-1.
なお、上記式(12)を最小化することにより回路パラメータθ0 *,...,θK-1 *を得る際には、軌道パラメータκの値は固定された上で回路パラメータの値が計算される。 When obtaining the circuit parameters θ 0 * , . . . , θ K-1 * by minimizing the above equation (12), the value of the trajectory parameter κ is fixed and then the values of the circuit parameters are calculated.
回路パラメータθ0,...,θK-1が最適化され、かつそれら回路パラメータを用いて固有状態が計算された後、上記式(10)における状態平均エネルギーESAが最小となるように軌道パラメータκが計算される。具体的には、状態平均エネルギーESAが収束するまで、回路パラメータθの更新と軌道パラメータκの更新とが繰り返される。 After the circuit parameters θ 0 , . . . , θ K−1 are optimized and the eigenstates are calculated using these circuit parameters, the trajectory parameter κ is calculated so that the state average energy E SA in the above equation (10) is minimized. Specifically, the update of the circuit parameter θ and the trajectory parameter κ are repeated until the state average energy E SA converges.
(SA‐OO‐MCVQE)
次に、SA‐OO‐MCVQEについて説明する。MCVQEは2つのステップから構成されている。第1のステップでは、以下の式のEMCVQE(θ)が最小となるような回路パラメータθ*が計算される。
(SA-OO-MCVQE)
Next, SA-OO-MCVQE will be described. MCVQE consists of two steps. In the first step, the circuit parameter θ * is calculated so that E MCVQE (θ) in the following equation is minimized. will be done.
第2のステップでは、古典コンピュータを用いてハミルトニアンHを対角化する。具体的には、以下の式によって表される部分空間Sにおけるハミルトニアンが対角化される。 In the second step, the Hamiltonian H is diagonalized using a classical computer. Specifically, the Hamiltonian in the subspace S represented by the following equation is diagonalized.
部分空間におけるハミルトニアンはK×Kの行列として表される。ハミルトニアンの要素hSTは以下の式によって表される。 The Hamiltonian in the subspace is expressed as a K × K matrix. The element h ST of the Hamiltonian is expressed by the following equation.
なお、ハミルトニアンの要素hSTは、次のような重ね合わせ状態を用いれば量子コンピュータによって計算可能となる。 The element h ST of the Hamiltonian can be calculated by a quantum computer if the following superposition state is used.
また、ハミルトニアンを表す行列hから得られるA番目の固有ベクトルvS (A)は、以下の式を満たす。 Moreover, the A-th eigenvector v S (A) obtained from the matrix h representing the Hamiltonian satisfies the following formula.
なお、上記式(15)におけるEAは固有ベクトルvS (A)に対応する固有値でもある。上記式(15)は、ハミルトニアンHのA番目の励起状態|ΨA>が以下の式によって表されることに対応する。 In addition, E A in the above formula (15) is also an eigenvalue corresponding to the eigenvector v S (A) . The above formula (15) corresponds to the A-th excited state |Ψ A > of the Hamiltonian H being expressed by the following formula.
本実施形態のSA‐OO‐MCVQEでは、上記式(6)の活性空間におけるハミルトニアンH^(x,κ)を含む以下の損失関数EMCVQE(θ)を定義する。 In the SA-OO-MCVQE of this embodiment, the following loss function E MCVQE (θ) including the Hamiltonian H^(x, κ) in the activity space of the above formula (6) is defined.
SA‐OO‐MCVQEでは、まず、上記式(13)の損失関数EMCVQE(θ)が最小となるような回路パラメータθ*が計算される。そして、古典コンピュータによってハミルトニアンを表す行列が対角化される。これにより、上記式(16)が示すハミルトニアンHの固有状態と当該固有状態に対応する固有エネルギーとが得られる。その後、下記式(10A)に示す状態平均エネルギーESAが最小化されるように軌道パラメータκが更新される。そして、状態平均エネルギーESAが収束するまで、回路パラメータθの更新と軌道パラメータκの更新とが繰り返される。 In SA-OO-MCVQE, first, the circuit parameter θ * is calculated so that the loss function E MCVQE (θ) in the above formula (13) is minimized. Then, the matrix representing the Hamiltonian is diagonalized by a classical computer. As a result, the eigenstate of the Hamiltonian H shown in the above formula (16) and the eigenenergy corresponding to the eigenstate are obtained. Then, the trajectory parameter κ is updated so that the state average energy E SA shown in the following formula (10A) is minimized. Then, the update of the circuit parameter θ and the trajectory parameter κ are repeated until the state average energy E SA converges.
(10A)
(10A)
(エネルギーの微分について)
SA‐OO‐SSVQE、SA‐OO‐VQD、及びSA‐OO‐MCVQEを実行することにより、分子の位置パラメータxに対応する固有エネルギーが得られる。ここで、固有エネルギーのxμによる解析的な1階微分を考える。なお、xμは、ベクトルである位置パラメータxのうちのμ番目の要素である。
(Regarding the differentiation of energy)
By executing SA-OO-SSVQE, SA-OO-VQD, and SA-OO-MCVQE, the eigenenergy corresponding to the molecular position parameter x is obtained. Here, consider the analytical first derivative of the eigenenergy with respect to x μ , where x μ is the μ-th element of the vector position parameter x.
本実施形態では、ラグランジュの未定乗数法に基づいて、固有エネルギーの解析的な1階微分が計算される。なお、SA‐OO‐SSVQEとSA‐OO‐VQDとSA‐OO‐MCVQEとの間において僅かな差異がある。 In this embodiment, the analytical first derivative of the eigenenergy is calculated based on the Lagrange multiplier method. Note that there is a slight difference between SA-OO-SSVQE, SA-OO-VQD, and SA-OO-MCVQE.
(ステップ0)
まず、SA‐OO‐SSVQE、SA‐OO‐VQD、又はSA‐OO‐MCVQEを実行する。これにより、各種の損失関数を最小化するような最適な軌道パラメータκ*及び最適な回路パラメータθ*が得られる。なお、SA‐OO‐MCVQEを実行した場合には、ベクトルv(A)も併せて得られる。
(Step 0)
First, SA-OO-SSVQE, SA-OO-VQD, or SA-OO-MCVQE is executed. This allows obtaining the optimal trajectory parameters κ * and optimal circuit parameters θ * that minimize various loss functions. When SA-OO-MCVQE is executed, the vector v (A) is also obtained.
(ステップ1)
まず、ラグランジアン
を設定する。また、位置パラメータx以外のパラメータに関する極値条件を設定する。なお、θ-A,κ-Aは、ラグランジュの未定乗数である。
(Step 1)
First, the Lagrangian
In addition, extreme value conditions are set for parameters other than the location parameter x. Note that θ −A and κ −A are undetermined Lagrange multipliers.
(ステップ2)
以下の式を解くことにより、ラグランジュの未定乗数を計算する。
(Step 2)
Calculate the Lagrange multipliers by solving the following equation:
ここで、
は、ラグランジアンLAのヘッセ行列である。また、fAはA番目のエネルギーの回路パラメータθによる1階微分である。gAは、A番目のエネルギーの軌道パラメータκによる1階微分である。なお、具体的な形式については後述する。
Where:
is the Hessian matrix of the Lagrangian L A. Also, f A is the first derivative of the A-th energy with respect to the circuit parameter θ. g A is the first derivative of the A-th energy with respect to the orbital parameter κ. The specific format will be described later.
(ステップ3)
上記式(18)を計算することにより得られたラグランジュの未定乗数を用いることにより、解析的な微分が計算可能となる。
(Step 3)
By using the undetermined Lagrange multiplier obtained by calculating the above equation (18), analytical differentiation becomes possible.
以下、SA‐OO‐SSVQE、SA‐OO‐VQD、及びSA‐OO‐MCVQEの手法毎に具体的に説明する。 Below, we will provide a detailed explanation of each of the SA-OO-SSVQE, SA-OO-VQD, and SA-OO-MCVQE methods.
(SA‐OO‐SSVQEによる微分の計算)
SA‐OO‐SSVQEにおいて、A番目の固有状態のラグランジアンLAは以下の式によって定義される。
(Calculation of derivatives by SA-OO-SSVQE)
In SA-OO-SSVQE, the Lagrangian L A of the A-th eigenstate is defined by the following equation:
ここで、θiはベクトルである回路パラメータθのi番目の要素である。また、κpqは、行列である軌道パラメータκの要素である。 Here, θ i is the i-th element of the circuit parameter θ, which is a vector, and κ pq is an element of the trajectory parameter κ, which is a matrix.
また、θ-A i及びκ-A pqは、ラグランジュの未定乗数である。ここで、ラグランジアンLAのうちの位置パラメータx以外の全てのパラメータに対して極値条件を課すことにより、以下の式が導出される。 In addition, θ −A i and κ −A pq are Lagrange multipliers. By imposing an extreme value condition on all parameters of the Lagrangian L A except for the location parameter x, the following equation is derived.
ここで、以下の式で表されるEAは、ある特定の状態Aにおけるエネルギーである。 Here, E A represented by the following formula is the energy in a specific state A.
上記式(20)のうちの後半2つの部分は、回路パラメータθが最適な回路パラメータθ*であり、かつ軌道パラメータκが最適な軌道パラメータκ*である場合に満たされる。また、上記式(20)のうちの上2つの部分を次式(21)によって置き換え、簡素化すると以下の式(22)が導出される。 The latter two parts of the above formula (20) are satisfied when the circuit parameter θ is the optimal circuit parameter θ * and the trajectory parameter κ is the optimal trajectory parameter κ * . Moreover, by replacing the upper two parts of the above formula (20) with the following formula (21) and simplifying it, the following formula (22) is derived.
上記式における
及び
は、量子コンピュータによる測定によって計算可能である。このため、上記式(22)のうちの
及び
を量子コンピュータによって計算することにより、ラグランジュの未定乗数であるθ-A*及びκ-A*が決定される。
In the above formula
and
can be calculated by measurement using a quantum computer.
and
By calculating by a quantum computer, the undetermined Lagrange multipliers θ −A* and κ −A* are determined.
そして、ラグランジュの未定乗数であるθ-A*及びκ-A*に基づいて、極値条件を課すことにより、エネルギーEAの位置パラメータxによる解析的な微分が計算可能となる。 Then, by imposing an extreme value condition based on the Lagrange multipliers θ −A* and κ −A* , it becomes possible to calculate the analytical derivative of the energy E A with respect to the location parameter x.
なお、極値条件がラグランジアンLAに適用された場合、次式の関係が成り立つ。 When the extreme value condition is applied to the Lagrangian L A , the following relationship holds:
ここで、EA *(x)はSA‐OO‐SSVQEによって得られるエネルギーである。このため、上述した関係は次式によって表される。 Here, E A * (x) is the energy obtained by SA-OO-SSVQE. Therefore, the above relationship is expressed by the following equation.
より厳密には、上記式(23)は次式によって表される。 More precisely, the above formula (23) is expressed by the following formula:
上記式(24)における右辺の各項は、量子コンピュータによって量子測定をすることで計算可能である。このため、古典コンピュータは、ラグランジュの未定乗数と量子コンピュータによって量子測定された測定結果とに基づいて、上記式(24)に従って、エネルギーEA *(x)の1階微分を計算することができる。 Each term on the right side of the above formula (24) can be calculated by performing quantum measurement using a quantum computer. Therefore, the classical computer can calculate the first derivative of the energy E A * (x) according to the above formula (24) based on the Lagrange undetermined multipliers and the measurement results obtained by the quantum computer.
(SA‐OO‐VQDによる微分の計算)
上記と同様に、SA‐OO‐VQDによって得られたエネルギーに対して以下に示すラグランジアンLA
VQDが設定される。
(Calculation of Differentials by SA-OO-VQD)
Similarly to the above, the Lagrangian L A VQD shown below is set for the energy obtained by SA-OO-VQD.
上記式(25)におけるθSiは、ベクトルである回路パラメータθSのi番目の要素である。また、θ-A Si及びκ-A pqはラグランジュの未定乗数である。 In the above formula (25), θ Si is the i-th element of the circuit parameter θ S, which is a vector. In addition, θ −A Si and κ −A pq are Lagrange's undetermined multipliers.
なお、SA‐OO‐VQDにおいて注意すべき点は、上記式(25)からもわかるようにA番目の固有状態には、全ての回路パラメータθ0,...,θK-1とそれに対応する未定乗数とが含まれている点である。ここで、ラグランジアンLA VQDのうちの位置パラメータx以外の全てのパラメータに対して極値条件を課すことにより、以下の式が導出される。 Note that in SA-OO-VQD, as can be seen from the above formula (25), the Ath eigenstate includes all the circuit parameters θ 0 ,...,θ K-1 and their corresponding undetermined multipliers. Here, by imposing an extreme value condition on all parameters of the Lagrangian L A VQD except for the location parameter x, the following formula is derived.
なお、以下の式によって表されるEAは状態別のエネルギーである。 In addition, E A expressed by the following formula is the energy for each state.
上記式(26)における後半2つの式は、回路パラメータθが最適な回路パラメータθ*であり、かつ軌道パラメータκが最適な軌道パラメータκ*である場合に満たされる。また、上記式(26)のうちの前半2つの部分を次式(27)によって置き換え、簡素化すると以下の式(28)が導出される。 The latter two equations in the above equation (26) are satisfied when the circuit parameter θ is the optimal circuit parameter θ * and the trajectory parameter κ is the optimal trajectory parameter κ * . Moreover, by replacing the first two parts of the above equation (26) with the following equation (27) and simplifying it, the following equation (28) is derived.
なお、上記式(28)を導出する際には、以下の条件が利用される。 The following conditions are used when deriving the above formula (28):
上記式(28)における各要素は、量子コンピュータによる量子測定と古典コンピュータによるラグランジュの未定乗数法による計算によって計算可能である。このため、上記のSA‐OO‐SSVQEの場合と同様に、エネルギーEA *(x)の微分を計算することが可能となる。SA‐OO‐VQDにおけるエネルギーEA *(x)の微分は以下の式によって表される。 Each element in the above formula (28) can be calculated by quantum measurement using a quantum computer and calculation using the Lagrange undetermined multiplier method using a classical computer. Therefore, it is possible to calculate the derivative of the energy E A * (x) in the same way as in the case of the above SA-OO-SSVQE. The derivative of the energy E A * (x) in the SA-OO-VQD is expressed by the following formula.
(SA‐OO‐MCVQEによる1階微分の計算)
SA‐OO‐MCVQEにおいては、上述したように上記式(15)を解くことにより、エネルギーEAが計算される。ハミルトニアンHが位置パラメータxに依存する場合、行列hの各要素hST、固有ベクトルvS
(A)、及びエネルギーEAも位置パラメータxに依存する。上記式(15)を用いると、以下の式が成立する。
(Calculation of first derivatives using SA-OO-MCVQE)
In SA-OO-MCVQE, the energy E A is calculated by solving the above formula (15) as described above. When the Hamiltonian H depends on the location parameter x, each element h ST of the matrix h, the eigenvector v S (A) , and the energy E A also depend on the location parameter x. Using the above formula (15), the following formula is established.
なお、上記式(30)は、座標パラメータxのうちのμ番目の要素xμに関する数式であり、以下の関係式を用いることにより導かれる。 It should be noted that the above formula (30) is a formula relating to the μ-th element x μ of the coordinate parameter x, and is derived by using the following relational expression.
これにより、エネルギーEAの微分は行列の要素hSTを微分することにより計算される。ここで、以下のラグランジアンLSTを考慮する。 Thus, the derivative of the energy E A is calculated by differentiating the matrix element h ST . Now consider the following Lagrangian L ST :
また、以下の式が成立する。 The following equation also holds:
位置パラメータxとは異なる全てのパラメータに関して極値条件を考慮すると以下の関係式が成立する。 When considering the extreme value conditions for all parameters other than the location parameter x, the following relationship holds:
回路パラメータθが最適な回路パラメータθ*であり、かつ軌道パラメータκが最適な軌道パラメータκ*である場合に、以下の式が成立する。 When the circuit parameter θ is the optimal circuit parameter θ * and the trajectory parameter κ is the optimal trajectory parameter κ * , the following equation holds:
なお、上記式が成立することを線形式によって表すと、以下の式(33)が導出される。 If we express the above formula as a linear equation, we obtain the following formula (33).
上記式(33)における各要素を次式(34)によって置き換え、簡素化すると以下の式(35)が導出される。 By replacing each element in the above formula (33) with the following formula (34) and simplifying it, the following formula (35) is derived.
上記式(34)における右辺の各項は、量子コンピュータによって量子測定をすることが可能である。このため、古典コンピュータは、ラグランジュの未定乗数と量子コンピュータによって量子測定された測定結果とに基づいて、上記式(35)に従って、行列の要素hSTの1階微分を計算することができる。そして、上記式(35)によって計算されたdhST/dxμを、上記式(30)へ代入することによりエネルギーEA *(x)の1階微分が計算される。 Each term on the right side of the above formula (34) can be quantum measured by a quantum computer. Therefore, a classical computer can calculate the first derivative of the matrix element h ST according to the above formula (35) based on the Lagrange undetermined multiplier and the measurement result quantum measured by the quantum computer. Then, the first derivative of the energy E A * (x) is calculated by substituting dh ST /dx μ calculated by the above formula (35) into the above formula (30).
(2階微分)
次に2階微分の導出方法について説明する。
(2nd order differential)
Next, a method for deriving the second derivative will be described.
(SA‐OO‐SSVQEによる2階微分の計算)
SA‐OO‐SSVQEによって状態別のエネルギーEA
*(x)の2階微分を計算するために、上記式(20)のラグランジアンにおける極値条件をxで微分すると、以下の式のようになる。
(Calculation of second derivatives using SA-OO-SSVQE)
In order to calculate the second derivative of the state-specific energy E A * (x) by SA-OO-SSVQE, the extreme value condition in the Lagrangian of the above equation (20) is differentiated with respect to x to obtain the following equation.
ここで、上記式(36)におけるαはθ,κ,θ-A,κ-Aの何れかであり、iはインデックスである。なお、ここでは、ラグランジアンは次式のように記述される。 Here, in the above formula (36), α is any one of θ, κ, θ −A , and κ −A , and i is an index. Here, the Lagrangian is written as the following formula.
上記の各式を纏めると、以下の式が導出される。 By combining the above equations, we arrive at the following equation.
次式を設定しかつ上記の条件を満たすように設定することにより、以下の式(38)が導出される。 By setting the following equation and setting it to satisfy the above conditions, the following equation (38) is derived.
上記の各関係式を用いると以下の式(39)及び(40)が導出される。なお、α,β=θ,κ,θ-A,κ-Aである。また、
である。
Using the above relational expressions, the following expressions (39) and (40) are derived, where α, β=θ, κ, θ −A , κ −A .
It is.
上記式(39)、(40)、(37)、及び(38)は次式に示されるように簡素化できる。 The above equations (39), (40), (37), and (38) can be simplified as shown below.
上記の各式を纏めることにより、最終的には以下の式が導出される。 By combining the above equations, we finally arrive at the following equation:
ここで、
は、インデックスμとインデックスνとが入れ替えられた項を表す。
Where:
represents a term in which the index μ and the index ν are swapped.
(SA‐OO‐MCVQEによる2階微分の計算)
1階微分と同様に、上記式(31)に示されるラグランジアンの極値条件を満たすように、2階微分は計算される。上記式(37)と同様に、以下の式が導かれる。
(Calculation of second derivatives using SA-OO-MCVQE)
Similar to the first derivative, the second derivative is calculated so as to satisfy the extremum condition of the Lagrangian shown in the above formula (31). Similar to the above formula (37), the following formula is derived.
(非断熱結合)
本実施形態では非断熱結合も計算される。固有状態Sと固有状態Tとの間の非断熱結合は、次式によって定義される。
(Non-adiabatic Bond)
In this embodiment, the nonadiabatic coupling is also calculated. The nonadiabatic coupling between eigenstates S and T is defined by the following equation:
ここで、|ψ* S(x)>は、固有状態Sを表す。以下、具体的に説明する。 Here, |ψ * S (x)> represents the eigenstate S. A specific description will be given below.
(SA‐OO‐SSVQEによる非断熱結合の計算)
SA‐OO‐SSVQEにおいて固有状態は次式によって表される。
(Non-adiabatic coupling calculations using SA-OO-SSVQE)
In SA-OO-SSVQE, the eigenstate is expressed by the following equation:
非断熱結合dST μは、以下の式によって計算される。 The nonadiabatic coupling d ST μ is calculated by the following formula:
最適な回路パラメータθ*及び最適な軌道パラメータκ*の位置パラメータxμによる微分dθ*/dxμ,dκ*/dxμは、上記式(37)において計算される。なお、次式に示す遷移振幅は、量子コンピュータによって計算可能である。 The derivatives dθ * / dxμ and dκ * / dxμ of the optimal circuit parameter θ * and the optimal trajectory parameter κ * with respect to the position parameter xμ are calculated in the above formula (37). Note that the transition amplitude shown in the following formula can be calculated by a quantum computer.
上記式(45)における右辺の各項は、量子コンピュータによって量子測定をすることが可能である。このため、古典コンピュータは、ラグランジュの未定乗数と量子コンピュータによって量子測定された測定結果とに基づいて、上記式(45)に従って、非断熱結合dST μを計算することができる。 Each term on the right side of the above formula (45) can be quantum measured by a quantum computer, so the classical computer can calculate the nonadiabatic coupling d ST μ according to the above formula (45) based on the Lagrange undetermined multipliers and the measurement results quantum measured by the quantum computer.
(SA‐OO‐MCVQEによる非断熱結合の計算)
SA‐OO‐MCVQEにおける固有状態は次式によって表される。
(Non-adiabatic coupling calculations using SA-OO-MCVQE)
The eigenstates in SA-OO-MCVQE are expressed by the following equations:
また、SA‐OO‐MCVQEにおける非断熱結合は、以下の式によって表される。 The nonadiabatic coupling in SA-OO-MCVQE is expressed by the following equation:
上記式(46)における右辺の第1項は、以下の式によって計算される。 The first term on the right hand side of the above equation (46) is calculated using the following formula:
なお、dhMN/dxμは、上記式(35)において計算される。上記式(46)の右辺の第2項の形式は、上記式(45)の右辺の第2項と同様である。このため、上記式(43)を解くことにより得られるdθ*/dxμ,dκ*/dxμを用いることにより、上記式(46)の右辺の第2項も計算可能である。このため、上記式(46)に従って、非断熱結合dST μを計算することができる。 In addition, dh MN /dx μ is calculated in the above formula (35). The format of the second term on the right side of the above formula (46) is the same as that of the second term on the right side of the above formula (45). Therefore, the second term on the right side of the above formula (46) can also be calculated by using dθ * /dx μ and dκ * /dx μ obtained by solving the above formula (43). Therefore, the nonadiabatic coupling d ST μ can be calculated according to the above formula (46).
[実施形態のハイブリッドシステム100の動作] [Operation of the hybrid system 100 according to the embodiment]
次に、実施形態のハイブリッドシステム100の具体的な動作について説明する。ハイブリッドシステム100の各装置において、図4及び図5に示される各処理が実行される。なお、以下では、SA‐OO‐SSVQE、SA‐OO‐VQD、及びSA‐OO‐MCVQEを用いて、エネルギーの1階微分、エネルギーの2階微分、及び非断熱結合の少なくとも1以上の物理量を計算する場合を例に説明する。 Next, the specific operation of the hybrid system 100 of the embodiment will be described. In each device of the hybrid system 100, the processes shown in FIG. 4 and FIG. 5 are executed. Note that the following describes an example in which at least one physical quantity of the first derivative of energy, the second derivative of energy, and nonadiabatic coupling is calculated using SA-OO-SSVQE, SA-OO-VQD, and SA-OO-MCVQE.
まず、ステップS100において、ユーザ端末130は、ユーザから入力された、計算対象に関する情報である計算対象情報と、計算方法に関する情報である計算方法情報とを、古典コンピュータ110へ送信する。 First, in step S100, the user terminal 130 transmits to the classical computer 110 the computation target information, which is information about the computation target, and the computation method information, which is information about the computation method, input by the user.
計算対象情報には、例えば、分子構造に関する情報、計算する物理量に関する情報、及び計算する状態の数K等の情報が含まれている。計算する物理量は、エネルギーの1階微分、エネルギーの2階微分、及び非断熱結合の少なくとも1以上の物理量である。分子構造に関する情報の一例としては、解析対象の分子の原子核の位置を表す位置パラメータxが挙げられる。 The calculation target information includes, for example, information on the molecular structure, information on the physical quantities to be calculated, and information on the number K of states to be calculated. The physical quantities to be calculated are at least one of the first derivative of energy, the second derivative of energy, and nonadiabatic bonds. An example of the information on the molecular structure is the position parameter x that represents the position of the atomic nucleus of the molecule to be analyzed.
計算方法情報には、例えば、ハミルトニアン変換手法、量子回路U^(θ)の初期情報、回路パラメータθの初期値、ψの初期状態、回路パラメータθの最適化手法、状態平均エネルギーを計算するための重み、及び軌道パラメータκの初期値等が含まれている。なお、SA‐OO‐SSVQEを用いる場合には、計算方法情報には、SSVQE用の損失関数を計算するための重み係数ws VQEの情報等が含まれる。また、SA‐OO‐VQDを用いる場合には、計算方法情報には、VQD用の損失関数を計算するための重み係数βTの情報等が含まれる。 The calculation method information includes, for example, a Hamiltonian transformation method, initial information of the quantum circuit U^(θ), an initial value of the circuit parameter θ, an initial state of ψ, an optimization method of the circuit parameter θ, a weight for calculating the state average energy, and an initial value of the orbital parameter κ. When SA-OO-SSVQE is used, the calculation method information includes information on a weighting coefficient w s VQE for calculating a loss function for SSVQE. When SA-OO-VQD is used, the calculation method information includes information on a weighting coefficient β T for calculating a loss function for VQD.
次に、ステップS102において、古典コンピュータ110は、ユーザ端末130から送信された計算対象情報及び計算方法情報を受信する。そして、ステップS102において、古典コンピュータ110は、計算対象情報のうちの分子の原子核の位置を表す位置パラメータx及び計算方法情報のうちのハミルトニアン変換手法に基づいて、位置パラメータxを変数として持つハミルトニアンH^(x)を計算する。 Next, in step S102, the classical computer 110 receives the calculation target information and calculation method information transmitted from the user terminal 130. Then, in step S102, the classical computer 110 calculates the Hamiltonian H^(x) having the position parameter x as a variable, based on the position parameter x representing the position of the atomic nucleus of the molecule in the calculation target information and the Hamiltonian transformation method in the calculation method information.
ステップS104において、古典コンピュータ110は、分子軌道に関するパラメータである軌道パラメータκを変数として持つ演算子であって、かつ分子軌道の回転を表す演算子である軌道回転演算子U^OO(κ)を決定する。具体的には、古典コンピュータ110は、上記式(5)に従って、軌道回転演算子U^OO(κ)を決定する。 In step S104, the classical computer 110 determines an orbital rotation operator U^ OO(κ) which is an operator having an orbital parameter κ, which is a parameter related to a molecular orbital, as a variable and which represents the rotation of the molecular orbital. Specifically, the classical computer 110 determines the orbital rotation operator U^OO ( κ) according to the above formula (5).
ステップS106において、古典コンピュータ110は、量子回路のパラメータである回路パラメータθを変数として持つ量子回路U^(θ)の構造を決定する。具体的には、古典コンピュータ110は、ステップS102で受信した計算対象情報のうちの量子回路U^(θ)の初期情報に基づいて、量子回路U^(θ)の構造を決定する。 In step S106, the classical computer 110 determines the structure of the quantum circuit U^(θ) having a circuit parameter θ, which is a parameter of the quantum circuit, as a variable. Specifically, the classical computer 110 determines the structure of the quantum circuit U^(θ) based on the initial information of the quantum circuit U^(θ) among the calculation target information received in step S102.
ステップS108において、古典コンピュータ110は、上記ステップS102で計算されたハミルトニアンH^(x)に対して、軌道回転と活性空間への射影とを行うことにより、ハミルトニアンH^(x,κ)を生成する。具体的には、古典コンピュータ110は、上記ステップS102で計算されたハミルトニアンH^(x)に対して、上記式(6)に示す演算を実行することにより、ハミルトニアンH^(x,κ)を生成する。 In step S108, the classical computer 110 generates a Hamiltonian H^(x, κ) by performing orbital rotation and projection onto the active space for the Hamiltonian H^(x) calculated in step S102. Specifically, the classical computer 110 generates a Hamiltonian H^(x, κ) by performing the operation shown in the above formula (6) for the Hamiltonian H^(x) calculated in step S102.
ステップS109において、古典コンピュータ110は、回路パラメータθを変数として持つ第1目的関数を設定する。具体的には、古典コンピュータ110は、上記ステップS102で受信した計算方法情報のうちのコスト関数を計算するための重みの情報に基づいて、コスト関数である第1目的関数を設定する。なお、第1目的関数は、用いられる手法に応じて異なる。 In step S109, the classical computer 110 sets a first objective function having the circuit parameter θ as a variable. Specifically, the classical computer 110 sets the first objective function, which is a cost function, based on the weight information for calculating the cost function from the calculation method information received in step S102. Note that the first objective function differs depending on the method used.
SA‐OO‐SSVQEが用いられる場合、古典コンピュータ110は、ステップS108で生成されたハミルトニアンH^(x,κ)と、ステップS102で受信した計算方法情報のうちの重み係数ws VQEとに基づいて、上記式(9)に示されるような損失関数ESSVQE(θ)を第1目的関数として設定する。 When SA-OO-SSVQE is used, the classical computer 110 sets the loss function E SSVQE (θ) as shown in the above equation (9) as the first objective function based on the Hamiltonian H^(x, κ) generated in step S108 and the weighting coefficient w s VQE in the calculation method information received in step S102.
SA‐OO‐VQDが用いられる場合、古典コンピュータ110は、ステップS108で生成されたハミルトニアンH^(x,κ)と、ステップS102で受信した計算方法情報のうちの重み係数ws VQEとに基づいて、上記式(12)に示されるような損失関数FS VQD(θS)を第1目的関数として設定する。 When SA-OO-VQD is used, the classical computer 110 sets the loss function F S VQD (θ S ) as shown in the above formula (12) as the first objective function based on the Hamiltonian H^(x, κ) generated in step S108 and the weighting coefficient w s VQE in the calculation method information received in step S102.
SA‐OO‐MCVQEが用いられる場合、古典コンピュータ110は、ステップS108で生成されたハミルトニアンH^(x,κ)に基づいて、上記式(17)に示されるような損失関数EMCVQE(θ)を第1目的関数として設定する。 When SA-OO-MCVQE is used, the classical computer 110 sets the loss function E MCVQE (θ) as shown in the above equation (17) as the first objective function based on the Hamiltonian H^(x, κ) generated in step S108.
ステップS110において、古典コンピュータ110は、量子計算に必要な各種情報を量子コンピュータ120へ送信する。具体的には、古典コンピュータ110は、ステップS109で設定された第1目的関数、ステップS106で決定された量子回路U^(θ)の構造、ステップS102で受信した計算方法情報のうちの、軌道パラメータκの初期値、回路パラメータθの初期値、回路パラメータθの最適化手法、計算対象情報のうちの計算する状態の数K、及び測定対象の物理量に関する情報を、量子コンピュータ120へ送信する。 In step S110, the classical computer 110 transmits various information necessary for the quantum computation to the quantum computer 120. Specifically, the classical computer 110 transmits to the quantum computer 120 the first objective function set in step S109, the structure of the quantum circuit U^(θ) determined in step S106, and, from the computation method information received in step S102, the initial value of the trajectory parameter κ, the initial value of the circuit parameter θ, the optimization method for the circuit parameter θ, the number K of states to be computed from the computation target information, and information on the physical quantity of the measurement target.
ステップS112において、制御装置121は、ステップS110で古典コンピュータ110から送信された各種情報を受信する。 In step S112, the control device 121 receives various information sent from the classical computer 110 in step S110.
ステップS114において、制御装置121は、ステップS112で受信した各種情報に応じた量子計算を量子コンピュータ120に実行させる。量子コンピュータ120は、制御装置121による制御に応じて、測定対象の物理量に対する量子測定を実行する。後述するように、古典コンピュータ110は、量子コンピュータ120による量子測定の測定結果に基づき、第1目的関数を最小化するような回路パラメータθ*を得る。 In step S114, the control device 121 causes the quantum computer 120 to execute quantum computation according to the various information received in step S112. The quantum computer 120 executes quantum measurement on the physical quantity of the measurement target according to the control by the control device 121. As will be described later, the classical computer 110 obtains a circuit parameter θ * that minimizes a first objective function based on the measurement result of the quantum measurement by the quantum computer 120.
具体的には、量子コンピュータ120は、制御装置121の制御に応じて、量子ビット群123のうちの少なくとも何れかの量子ビットへ照射するための電磁波を生成する。そして、量子コンピュータ120は、生成された電磁波を、量子ビット群123のうちの少なくとも何れかの量子ビットへ照射し、初期情報に応じた量子回路を実行することにより、最適な回路パラメータθ*を生成する。量子回路に含まれる各量子ゲートのゲート操作は対応する電磁波波形へと変換され、生成された電磁波が電磁波生成装置122によって量子ビット群123に照射される。そして、量子コンピュータ120は、回路パラメータθ*を出力する。 Specifically, the quantum computer 120 generates an electromagnetic wave to be irradiated to at least any one of the quantum bits of the quantum bit group 123 in accordance with the control of the control device 121. Then, the quantum computer 120 irradiates the generated electromagnetic wave to at least any one of the quantum bits of the quantum bit group 123, and executes a quantum circuit according to the initial information, thereby generating an optimal circuit parameter θ * . The gate operation of each quantum gate included in the quantum circuit is converted into a corresponding electromagnetic wave waveform, and the generated electromagnetic wave is irradiated to the quantum bit group 123 by the electromagnetic wave generating device 122. Then, the quantum computer 120 outputs the circuit parameter θ * .
ステップS116において、制御装置121は、上記ステップS114で得られた測定結果を、古典コンピュータ110へ送信する。 In step S116, the control device 121 transmits the measurement results obtained in step S114 to the classical computer 110.
ステップS118において、古典コンピュータ110は、ステップS116で制御装置121から送信された測定結果を受信する。そして、古典コンピュータ110は、測定結果に基づいて、回路パラメータθ*を計算する。 In step S118, the classical computer 110 receives the measurement result transmitted in step S116 from the control device 121. Then, the classical computer 110 calculates the circuit parameter θ * based on the measurement result.
なお、ステップS114~ステップS118の処理によって最適な回路パラメータθ*が得られる場合を説明したが、実際の処理では、SSVQE、VQD、及びMCVQEの何れか1つの手法に応じて、古典コンピュータ110と量子コンピュータ120との間において繰り返し計算が実行されることにより、最適な回路パラメータθ*が得られる。具体的には、まず、量子コンピュータ120は、ある回路パラメータθに対応する電磁波を量子ビット群123に照射する。次に、古典コンピュータ110は、量子コンピュータ120の量子測定による測定結果に対応する期待値E(θ)を取得し、第1目的関数の値を計算する。そして、古典コンピュータ110は、第1目的関数の値に応じて、第1目的関数の値が小さくなるように回路パラメータθを更新する。古典コンピュータ110と量子コンピュータ120との間において第1目的関数の値が最小となるまで、これらの計算が繰り返され、古典コンピュータ110は、最適な回路パラメータθ*を得る。 In the above description, the optimal circuit parameter θ * is obtained by the process of steps S114 to S118. In the actual process, the optimal circuit parameter θ * is obtained by repeatedly performing calculations between the classical computer 110 and the quantum computer 120 according to any one of the methods of SSVQE, VQD, and MCVQE. Specifically, the quantum computer 120 first irradiates the quantum bit group 123 with electromagnetic waves corresponding to a certain circuit parameter θ. Next, the classical computer 110 obtains an expected value E(θ) corresponding to the measurement result of the quantum measurement of the quantum computer 120, and calculates the value of the first objective function. Then, the classical computer 110 updates the circuit parameter θ according to the value of the first objective function so that the value of the first objective function becomes smaller. These calculations are repeated between the classical computer 110 and the quantum computer 120 until the value of the first objective function becomes minimum, and the classical computer 110 obtains the optimal circuit parameter θ * .
ステップS120において、古典コンピュータ110は、ステップS118で情報記憶部113へ記憶された回路パラメータθ*を定数として持ち、かつ軌道パラメータκを変数として持つ目的関数である第2目的関数を設定する。そして、古典コンピュータ110は、第2目的関数の値を計算する。 In step S120, the classical computer 110 sets a second objective function, which is an objective function having the circuit parameter θ * stored in the information storage unit 113 in step S118 as a constant and the trajectory parameter κ as a variable. Then, the classical computer 110 calculates the value of the second objective function.
SA‐OO‐SSVQE又はSA‐OO‐VQDの手法が用いられる場合、古典コンピュータ110は、ステップS108で生成されたハミルトニアンH^(x,κ)と、ステップS102で受信した計算方法情報のうちの重み係数wS SAと、ステップS118で情報記憶部113へ記憶された回路パラメータθ*とに基づいて決定される上記式(10)の状態平均エネルギーESA(κ)を、第2目的関数として設定する。一方、SA‐OO‐MCVQEの手法が用いられる場合、古典コンピュータ110は、ステップS108で生成されたハミルトニアンH^(x,κ)と、ステップS102で受信した計算方法情報のうちの重み係数wS SAと、ステップS118で情報記憶部113へ記憶された回路パラメータθ*とに基づいて決定される上記式(10A)の状態平均エネルギーESA(κ)を、第2目的関数として設定する。そして、古典コンピュータ110は、第2目的関数の値を計算する。 When the SA-OO-SSVQE or SA-OO-VQD method is used, the classical computer 110 sets, as the second objective function, the state average energy E SA (κ) of the above formula (10) determined based on the Hamiltonian H ^ (x, κ) generated in step S108, the weighting coefficient w S SA of the calculation method information received in step S102, and the circuit parameter θ * stored in the information storage unit 113 in step S118. On the other hand, when the SA-OO-MCVQE method is used, the classical computer 110 sets, as the second objective function, the state average energy E SA (κ) of the above formula (10A) determined based on the Hamiltonian H ^ (x, κ) generated in step S108, the weighting coefficient w S SA of the calculation method information received in step S102, and the circuit parameter θ * stored in the information storage unit 113 in step S118. Then, the classical computer 110 calculates the value of the second objective function.
ステップS122において、古典コンピュータ110は、量子計算に必要な各種情報を量子コンピュータ120へ送信する。具体的には、古典コンピュータ110は、上記式(10)内の下記の部分に相当する測定対象の物理量に関する情報を含む各種情報を、量子コンピュータ120へ送信する。 In step S122, the classical computer 110 transmits various pieces of information necessary for quantum computation to the quantum computer 120. Specifically, the classical computer 110 transmits various pieces of information, including information about the physical quantities of the measurement target that correspond to the following part in the above equation (10), to the quantum computer 120:
ステップS124において、制御装置121は、古典コンピュータ110から送信された測定対象の物理量に関する情報を含む各種情報を受信する。 In step S124, the control device 121 receives various information including information about the physical quantity of the measurement target transmitted from the classical computer 110.
ステップS125において、制御装置121は、ステップS124で受信した各種情報に応じた量子計算を量子コンピュータ120に実行させる。量子コンピュータ120は、制御装置121による制御に応じて、測定対象の物理量に対する量子測定を実行する。後述するように、古典コンピュータ110は、量子コンピュータ120による量子測定の測定結果に基づき、第2目的関数を最小化するような軌道パラメータκ*を得る。 In step S125, the control device 121 causes the quantum computer 120 to execute quantum computation according to the various information received in step S124. The quantum computer 120 executes quantum measurement on the physical quantity of the measurement target according to the control by the control device 121. As will be described later, the classical computer 110 obtains the trajectory parameter κ * that minimizes the second objective function, based on the measurement result of the quantum measurement by the quantum computer 120.
ステップS126において、制御装置121は、ステップS124で得られた測定結果を古典コンピュータ110へ送信する。 In step S126, the control device 121 transmits the measurement results obtained in step S124 to the classical computer 110.
ステップS128において、古典コンピュータ110は、ステップS126で制御装置121から送信された測定結果を受信する。そして、古典コンピュータ110は、測定結果と状態平均エネルギーの重み係数ws SAとに基づいて、軌道パラメータκ*を計算する。また、古典コンピュータ110は、上記第2目的関数の値を計算する。 In step S128, the classical computer 110 receives the measurement result transmitted from the control device 121 in step S126. Then, the classical computer 110 calculates the trajectory parameter κ * based on the measurement result and the weighting coefficient w s SA of the state average energy. The classical computer 110 also calculates the value of the second objective function.
ステップS130において、古典コンピュータ110は、計算が収束したか否かを判定する。具体的には、古典コンピュータ110は、ステップS120で計算された第2目的関数の値とステップS128で計算された第2目的関数の値との間の差分が、所定閾値以下であるか否かを判定し、差分が所定閾値以下である場合にはステップS122へ進む。一方、差分が所定閾値より大きい場合にはステップS108へ戻り、ステップS108~ステップS128の処理を繰り返す。 In step S130, the classical computer 110 determines whether the calculation has converged. Specifically, the classical computer 110 determines whether the difference between the value of the second objective function calculated in step S120 and the value of the second objective function calculated in step S128 is equal to or less than a predetermined threshold, and proceeds to step S122 if the difference is equal to or less than the predetermined threshold. On the other hand, if the difference is greater than the predetermined threshold, the process returns to step S108 and repeats the processes of steps S108 to S128.
ステップS132において、古典コンピュータ110は、上記の各処理により得られた回路パラメータθ*及び軌道パラメータκ*を量子コンピュータ120へ送信する。 In step S132, the classical computer 110 transmits the circuit parameters θ * and the trajectory parameters κ * obtained by the above processes to the quantum computer 120.
ステップS134において、量子コンピュータ120は、ステップS132で古典コンピュータ110から送信された回路パラメータθ*及び軌道パラメータκ*を受信する。 In step S134, the quantum computer 120 receives the circuit parameters θ * and the trajectory parameters κ * transmitted from the classical computer 110 in step S132.
ステップS136において、古典コンピュータ110は、ステップS102で受信した計算対象情報に基づいて、計算対象の物理量を設定する。具体的には、古典コンピュータ110は、ステップS102で受信した計算対象情報に基づいて、エネルギーの1階微分、エネルギーの2階微分、及び非断熱結合の何れの物理量を計算するのかを設定する。 In step S136, the classical computer 110 sets the physical quantity to be calculated based on the calculation target information received in step S102. Specifically, the classical computer 110 sets which physical quantity to calculate: the first derivative of energy, the second derivative of energy, or the nonadiabatic bond, based on the calculation target information received in step S102.
ステップS138において、古典コンピュータ110は、ステップS136で設定された物理量に応じて、測定対象となる物理量に関する情報を量子コンピュータ120へ送信する。測定対象となる物理量は、計算手法及び計算対象の物理量に応じて異なる。 In step S138, the classical computer 110 transmits information about the physical quantity to be measured to the quantum computer 120, depending on the physical quantity set in step S136. The physical quantity to be measured varies depending on the calculation method and the physical quantity to be calculated.
[エネルギーの1階微分]
(SA‐OO‐SSVQEの場合)
SA‐OO‐SSVQEを用いてエネルギーの1階微分を計算する場合、古典コンピュータ110は、下記式(A1)のうちの、以下の破線部分の物理量を、測定対象の物理量として量子コンピュータ120へ送信する。
[First derivative of energy]
(In the case of SA-OO-SSVQE)
When calculating the first derivative of energy using SA-OO-SSVQE, the classical computer 110 transmits the physical quantity in the dashed line portion of the following equation (A1) to the quantum computer 120 as the physical quantity to be measured.
(A1)
(A1)
なお、上述したように、式(A1)におけるA,Sは固有状態を識別するためのインデックスであり、E(x)は固有エネルギーであり、μはベクトルである位置パラメータxの要素を識別するためのインデックスであり、ψは活性空間における固有状態であり、U^(θ)は量子回路であり、θ-はベクトルである回路パラメータθの要素に対応するラグランジュの未定乗数であり、iはベクトルである回路パラメータθの要素を識別するためのインデックスであり、wVQEは固有状態に対する重み係数であり、κ-は行列である軌道パラメータκの行列要素に対応するラグランジュの未定乗数であり、p,qは行列要素を識別するためのインデックスであり、wSAは状態平均エネルギーの重み係数である。なお、ラグランジュの未定乗数は、上記式(18)等の連立方程式を解くことにより計算される。 As described above, A and S in formula (A1) are indexes for identifying eigenstates, E(x) is eigenenergy, μ is an index for identifying an element of the position parameter x which is a vector, ψ is an eigenstate in the active space, U^(θ) is a quantum circuit, θ- is an undetermined Lagrange multiplier corresponding to an element of the circuit parameter θ which is a vector, i is an index for identifying an element of the circuit parameter θ which is a vector, wVQE is a weighting coefficient for the eigenstate, κ- is an undetermined Lagrange multiplier corresponding to a matrix element of the orbital parameter κ which is a matrix, p, q are indexes for identifying matrix elements, and wSA is a weighting coefficient for the state average energy. The undetermined Lagrange multiplier is calculated by solving simultaneous equations such as the above formula (18).
(SA‐OO‐VQDの場合)
SA‐OO‐VQDを用いてエネルギーの1階微分を計算する場合、古典コンピュータ110は、下記式(A2)のうちの、以下の破線部分の物理量を、測定対象の物理量として量子コンピュータ120へ送信する。
(In the case of SA-OO-VQD)
When calculating the first derivative of energy using SA-OO-VQD, the classical computer 110 transmits the physical quantity in the dashed line portion of the following equation (A2) to the quantum computer 120 as the physical quantity to be measured.
(A2)
(A2)
(SA‐OO‐MCVQEの場合)
SA‐OO‐MCVQEを用いてエネルギーの1階微分を計算する場合、古典コンピュータ110は、下記式(A3)のうちの、以下の破線部分の物理量を、測定対象の物理量として量子コンピュータ120へ送信する。
(In the case of SA-OO-MCVQE)
When calculating the first derivative of energy using SA-OO-MCVQE, the classical computer 110 transmits the physical quantity in the dashed line portion of the following equation (A3) to the quantum computer 120 as the physical quantity to be measured.
(A3)
(A3)
なお、上述したように、式(A3)におけるTは固有状態を識別するためのインデックスであり、hは固有エネルギーを表す行列の要素である。 As mentioned above, T in equation (A3) is an index for identifying an eigenstate, and h is an element of the matrix representing the eigenenergy.
エネルギーの1階微分を計算する場合、量子コンピュータ120は、後述するステップS142において、上記各式で示されるような、量子回路U^(θ*)及びハミルトニアンH^(x,κ*)の位置パラメータxによる微分を含む期待値を量子測定する。 When calculating the first derivative of the energy, in step S142 described below, the quantum computer 120 quantum measures the expectation value including the derivative with respect to the location parameter x of the quantum circuit U^(θ * ) and the Hamiltonian H^(x, κ * ) as shown in the above equations.
[エネルギーの2階微分]
(SA‐OO‐SSVQEの場合)
SA‐OO‐SSVQEを用いてエネルギーの2階微分を計算する場合、古典コンピュータ110は、下記式(B1)のうちの、以下の破線部分の物理量を、測定対象の物理量として量子コンピュータ120へ送信する。なお、上述したように、式(B1)におけるESSVQEはSSVQEを用いた場合の第1目的関数に相当する損失関数であり、ESAは状態平均エネルギーであり、μ,νはベクトルである位置パラメータxの要素を識別するためのインデックスであり、i,jはベクトル要素を識別するためのインデックスであり、p,q,m,nは行列要素を識別するためのインデックスであり、(μ⇔ν)は隣接する項のμとνとが入れ替えられた項を表す。
[Second derivative of energy]
(In the case of SA-OO-SSVQE)
When calculating the second derivative of energy using SA-OO-SSVQE, the classical computer 110 transmits the physical quantity of the dashed line portion in the following formula (B1) as the physical quantity to be measured to the quantum computer 120. As described above, E SSVQE in formula (B1) is a loss function equivalent to the first objective function when SSVQE is used, E SA is the state average energy, μ and ν are indexes for identifying elements of the position parameter x which is a vector, i and j are indexes for identifying vector elements, p, q, m, and n are indexes for identifying matrix elements, and (μ⇔ν) represents a term in which μ and ν of adjacent terms are swapped.
(B1)
(B1)
なお、式(B1)には、エネルギーの1階微分に対応する項も含まれている。このため、エネルギーの2階微分を計算する場合、量子コンピュータ120は、後述するステップS142において、量子回路U^(θ*)及びハミルトニアンH^(x,κ*)の位置パラメータxによる微分を含む期待値の測定結果も利用しつつ量子測定を実行する。 Note that formula (B1) also includes a term corresponding to the first derivative of the energy. Therefore, when calculating the second derivative of the energy, the quantum computer 120 performs quantum measurement in step S142 described later while also using the measurement results of the quantum circuit U^(θ * ) and the expectation value including the derivative with respect to the location parameter x of the Hamiltonian H^(x, κ * ).
[非断熱結合]
(SA‐OO‐SSVQEの場合)
SA‐OO‐SSVQEを用いて非断熱結合の値を計算する場合、古典コンピュータ110は、下記式(C1)のうちの、以下の破線部分の物理量を、測定対象の物理量として量子コンピュータ120へ送信する。
[Non-adiabatic bond]
(In the case of SA-OO-SSVQE)
When calculating the value of nonadiabatic coupling using SA-OO-SSVQE, the classical computer 110 transmits the physical quantity in the dashed part of the following equation (C1) to the quantum computer 120 as the physical quantity to be measured.
(C1)
(C1)
(SA‐OO‐MCVQEの場合)
SA‐OO‐MCVQEを用いて非断熱結合の値を計算する場合、古典コンピュータ110は、下記式(C2)のうちの、以下の破線部分の物理量を、測定対象の物理量として量子コンピュータ120へ送信する。
(In the case of SA-OO-MCVQE)
When calculating the value of nonadiabatic coupling using SA-OO-MCVQE, the classical computer 110 transmits the physical quantity in the dashed part of the following equation (C2) to the quantum computer 120 as the physical quantity to be measured.
(C2)
(C2)
なお、式(C2)におけるM,Nは固有状態を識別するためのインデックスであり、vは固有状態に対応する固有ベクトルである。 Note that in equation (C2), M and N are indexes for identifying the eigenstates, and v is an eigenvector corresponding to the eigenstate.
非断熱結合の値を計算する場合、量子コンピュータ120は、後述するステップS142において、式(C1)又は(C2)で示されるような、量子回路U^(θ*)及び軌道回転演算子U^OO(κ*)の位置パラメータxによる微分を含む期待値を量子測定する。 When calculating the value of the nonadiabatic coupling, in step S142 described below, the quantum computer 120 quantum measures an expectation value including the derivative of the quantum circuit U^(θ * ) and the orbital rotation operator U^ OO (κ * ) with respect to the position parameter x, as shown in equation (C1) or (C2).
ステップS140において、量子コンピュータ120は、ステップS138で古典コンピュータ110から送信された、測定対象の物理量に関する情報を受信する。 In step S140, the quantum computer 120 receives information about the physical quantity to be measured that was sent from the classical computer 110 in step S138.
ステップS142において、量子コンピュータ120は、ステップS140で受信した測定対象の物理量に関する情報と、ステップS120で受信した計算方法情報に含まれる各種情報に基づいて、測定対象の物理量を量子測定することにより、量子測定の測定結果を取得する。 In step S142, the quantum computer 120 acquires a measurement result by performing quantum measurement of the physical quantity of the measurement target based on the information related to the physical quantity of the measurement target received in step S140 and various information included in the calculation method information received in step S120.
ステップS144において、量子コンピュータ120は、量子測定の測定結果を古典コンピュータ110へ送信する。 In step S144, the quantum computer 120 transmits the quantum measurement result to the classical computer 110.
ステップS146において、古典コンピュータ110は、ステップS144で量子コンピュータ120から送信された測定対象を受信する。 In step S146, the classical computer 110 receives the measurement object transmitted from the quantum computer 120 in step S144.
ステップS148において、古典コンピュータ110は、ステップS144で受信した測定結果に基づいて、計算対象の物理量を計算する。 In step S148, the classical computer 110 calculates the physical quantity to be calculated based on the measurement results received in step S144.
具体的には、古典コンピュータ110は、量子コンピュータ120により得られた測定結果と、回路パラメータθ*、軌道パラメータκ*、及び重み係数ws VQE,ws SA等とに基づいて、上記各式の右辺の各項の測定結果の和を計算することにより、上記各式の左辺が表すエネルギーの1階微分、エネルギーの2階微分、及び非断熱結合の値の少なくとも1以上の物理量を計算する。 Specifically, the classical computer 110 calculates the sum of the measurement results of each term on the right side of each of the above equations based on the measurement results obtained by the quantum computer 120, the circuit parameter θ * , the orbital parameter κ * , and the weighting coefficients wsVQE , wsSA , etc., to calculate at least one or more physical quantities, namely the first derivative of the energy, the second derivative of the energy, and the nonadiabatic coupling value, represented on the left side of each of the above equations.
ステップS150において、古典コンピュータ110は、ステップS148で得られた計算結果をユーザ端末130へ送信する。 In step S150, the classical computer 110 transmits the calculation result obtained in step S148 to the user terminal 130.
ステップS152において、ユーザ端末130は、古典コンピュータ110から送信された計算結果を受信する。 In step S152, the user terminal 130 receives the calculation results sent from the classical computer 110.
以上説明したように、実施形態のハイブリッドシステムは、古典コンピュータが、分子の原子核の位置を表す位置パラメータxを変数として持つハミルトニアンH^(x)を計算し、分子軌道に関するパラメータである軌道パラメータκを変数として持つ演算子であって、かつ分子軌道の回転を表す演算子である軌道回転演算子U^OO(κ)を決定する。また、古典コンピュータは、量子回路のパラメータである回路パラメータθを変数として持つ量子回路U^(θ)を決定し、ハミルトニアンH^(x)に対して軌道回転と活性空間への射影とを行うことにより、ハミルトニアンH^(x,κ)を生成し、回路パラメータθを変数として持つ第1目的関数を設定する。そして、量子コンピュータが、第1目的関数を最小化又は最大化するような量子回路U^(θ)の回路パラメータθ*を計算する。古典コンピュータは、回路パラメータθ*を定数として持ち、かつ軌道パラメータκを変数として持つ目的関数である第2目的関数を設定する。量子コンピュータは、第2目的関数を最小化又は最大化するような軌道パラメータκ*を計算する。量子コンピュータは、回路パラメータθ*と軌道パラメータκ*とに基づいて、量子回路U^(θ*)及びハミルトニアンH^(x,κ*)の位置パラメータxによる微分を含む期待値を量子測定することにより、量子測定の測定結果を取得する。そして、古典コンピュータは、量子測定の測定結果に基づいて、ハミルトニアンH^(x)に対応するエネルギーの微分を計算する。これにより、量子コンピュータを用いてSA‐OOの計算を実行する際にエネルギーの微分値を得ることができる。 As described above, in the hybrid system of the embodiment, the classical computer calculates a Hamiltonian H^(x) having a position parameter x representing the position of the atomic nucleus of a molecule as a variable, and determines an orbital rotation operator U^ OO (κ) which is an operator having an orbital parameter κ, which is a parameter related to a molecular orbital, as a variable and which represents the rotation of the molecular orbital. The classical computer also determines a quantum circuit U^(θ) having a circuit parameter θ, which is a parameter of a quantum circuit, as a variable, and performs orbital rotation and projection onto an active space on the Hamiltonian H^(x) to generate a Hamiltonian H^(x, κ), and sets a first objective function having the circuit parameter θ as a variable. Then, the quantum computer calculates a circuit parameter θ * of the quantum circuit U^(θ) that minimizes or maximizes the first objective function. The classical computer sets a second objective function, which is an objective function having the circuit parameter θ * as a constant and the orbital parameter κ as a variable. The quantum computer calculates an orbital parameter κ * that minimizes or maximizes the second objective function. The quantum computer acquires a measurement result of the quantum measurement by performing quantum measurement on the expectation value including the derivative of the quantum circuit U^(θ * ) and the Hamiltonian H^(x, κ * ) with respect to the position parameter x based on the circuit parameter θ* and the orbital parameter κ*. Then, the classical computer calculates the derivative of the energy corresponding to the Hamiltonian H^(x) based on the measurement result of the quantum measurement. This makes it possible to obtain the derivative value of the energy when performing the SA-OO calculation using the quantum computer.
また、実施形態のハイブリッドシステムは、古典コンピュータが、分子の原子核の位置を表す位置パラメータxを変数として持つハミルトニアンH^(x)を計算し、分子軌道に関するパラメータである軌道パラメータκを変数として持つ演算子であって、かつ分子軌道の回転を表す演算子である軌道回転演算子U^OO(κ)を決定する。また、古典コンピュータは、量子回路のパラメータである回路パラメータθを変数として持つ量子回路U^(θ)を決定し、ハミルトニアンH^(x)に対して軌道回転と活性空間への射影とを行うことにより、ハミルトニアンH^(x,κ)を生成し、回路パラメータθを変数として持つ第1目的関数を設定する。そして、量子コンピュータが、第1目的関数を最小化又は最大化するような量子回路U^(θ)の回路パラメータθ*を計算する。古典コンピュータは、回路パラメータθ*を定数として持ち、かつ軌道パラメータκを変数として持つ目的関数である第2目的関数を設定する。量子コンピュータは、第2目的関数を最小化又は最大化するような軌道パラメータκ*を計算する。量子コンピュータは、回路パラメータθ*と軌道パラメータκ*とに基づいて、量子回路U^(θ*)及び軌道回転演算子U^OO(κ*)の位置パラメータxによる微分を含む期待値を量子測定することにより、量子測定の測定結果を取得する。そして、古典コンピュータは、量子測定の測定結果に基づいて、非断熱結合の値を計算する。これにより、量子コンピュータを用いてSA‐OOの計算を実行する際に非断熱結合の値を得ることができる。 In addition, in the hybrid system of the embodiment, the classical computer calculates a Hamiltonian H^(x) having a position parameter x representing the position of the atomic nucleus of the molecule as a variable, and determines an orbital rotation operator U^ OO (κ) which is an operator having an orbital parameter κ, which is a parameter related to the molecular orbital, as a variable and which represents the rotation of the molecular orbital. In addition, the classical computer determines a quantum circuit U^(θ) having a circuit parameter θ, which is a parameter of a quantum circuit, as a variable, and performs orbital rotation and projection onto the active space for the Hamiltonian H^(x) to generate a Hamiltonian H^(x, κ), and sets a first objective function having the circuit parameter θ as a variable. Then, the quantum computer calculates a circuit parameter θ * of the quantum circuit U^(θ) that minimizes or maximizes the first objective function. The classical computer sets a second objective function, which is an objective function having the circuit parameter θ * as a constant and the orbital parameter κ as a variable. The quantum computer calculates the orbital parameter κ * that minimizes or maximizes the second objective function. The quantum computer acquires a measurement result of the quantum measurement by performing a quantum measurement on an expectation value including a derivative with respect to the position parameter x of the quantum circuit U^(θ * ) and the orbital rotation operator U^ OO ( κ * ) based on the circuit parameter θ* and the orbital parameter κ*. Then, the classical computer calculates a value of the nonadiabatic coupling based on the measurement result of the quantum measurement. In this way, the value of the nonadiabatic coupling can be obtained when performing a SA-OO calculation using the quantum computer.
また、古典コンピュータと量子コンピュータとの間の適切な役割分担により、SA‐OOの計算を実行する際に、エネルギーの微分及び非断熱結合の値を得ることができる。 In addition, by appropriately dividing the roles between classical and quantum computers, it is possible to obtain the values of energy derivatives and nonadiabatic coupling when performing SA-OO calculations.
なお、本開示の技術は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。 The technology disclosed herein is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and applications are possible without departing from the spirit and scope of the invention.
例えば、上記実施形態において、古典コンピュータ110と量子コンピュータ120との間の情報の送受信はどのようになされてもよい。例えば、古典コンピュータ110と量子コンピュータ120との間における、量子回路のパラメータの送受信及び測定結果の送受信等は、所定の計算が完了する毎に逐次送受信が行われてもよいし、全ての計算が完了した後に送受信が行われてもよい。 For example, in the above embodiment, information may be transmitted and received between the classical computer 110 and the quantum computer 120 in any manner. For example, the transmission and reception of quantum circuit parameters and measurement results between the classical computer 110 and the quantum computer 120 may be performed sequentially each time a predetermined calculation is completed, or may be performed after all calculations are completed.
また、上記実施形態では、ユーザ端末130から古典コンピュータ110へ計算対象情報が送信され、古典コンピュータ110が計算対象情報に応じた計算を実行する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。ユーザ端末130は、IPネットワークなどのコンピュータネットワークを介して古典コンピュータ110又は古典コンピュータ110がアクセス可能な記憶媒体又は記憶装置に計算対象情報を送信してもよいが、記憶媒体又は記憶装置に記憶して古典コンピュータ110の運営者に渡し、当該運営者が古典コンピュータ110に当該記憶媒体又は記憶装置を用いて計算対象情報を入力するようにしてもよい。 In the above embodiment, the calculation target information is transmitted from the user terminal 130 to the classical computer 110, and the classical computer 110 executes a calculation according to the calculation target information. However, the present invention is not limited to this. The user terminal 130 may transmit the calculation target information to the classical computer 110 or a storage medium or storage device accessible to the classical computer 110 via a computer network such as an IP network, or may store the calculation target information in a storage medium or storage device and hand it over to the operator of the classical computer 110, who then inputs the calculation target information to the classical computer 110 using the storage medium or storage device.
また、上記実施形態では、電磁波の照射によって量子回路が実行される場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、異なる方式によって量子回路が実行されてもよい。 In addition, in the above embodiment, a quantum circuit is executed by irradiating electromagnetic waves, but this is not limited to the above, and the quantum circuit may be executed by a different method.
また、上記実施形態では、損失関数を第1目的関数又は第2目的関数として設定し、それらの目的関数の値が最小となるようなパラメータを計算する場合を例に説明したがこれに限定されるものではない。例えば、損失関数の逆数を第1目的関数又は第2目的関数として設定し、目的関数の値が最大となるようなパラメータを計算するようにしてもよい。 In the above embodiment, the loss function is set as the first objective function or the second objective function, and parameters are calculated so that the values of these objective functions are minimized. However, this is not limiting. For example, the inverse of the loss function may be set as the first objective function or the second objective function, and parameters are calculated so that the value of the objective function is maximized.
また、上記実施形態では、量子コンピュータ120が量子計算を実行する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、量子コンピュータの挙動を模擬する古典コンピュータによって量子計算が実行されてもよい。 In the above embodiment, the quantum computer 120 performs quantum computation, but the present invention is not limited to this. For example, quantum computation may be performed by a classical computer that mimics the behavior of a quantum computer.
また、上記実施形態では、異なる組織によって古典コンピュータ110及び量子コンピュータ120が管理されている場合を想定しているが、古典コンピュータ110及び量子コンピュータ120は同一の組織によって一体として管理されていてもよい。この場合には、量子計算情報の古典コンピュータ110から量子コンピュータ120への送信及び量子コンピュータ120から古典コンピュータ110への測定結果の送信は不要となる。また、この場合には、量子コンピュータ120の制御装置121において上述の説明における古典コンピュータ110の役割を担うことが考えられる。 In addition, in the above embodiment, it is assumed that the classical computer 110 and the quantum computer 120 are managed by different organizations, but the classical computer 110 and the quantum computer 120 may be managed as a single entity by the same organization. In this case, it is not necessary to transmit quantum computing information from the classical computer 110 to the quantum computer 120, and it is not necessary to transmit measurement results from the quantum computer 120 to the classical computer 110. In this case, it is also possible that the control device 121 of the quantum computer 120 plays the role of the classical computer 110 in the above description.
なお、上記実施形態においては、「××のみに基づいて」、「××のみに応じて」、「××のみの場合」というように「のみ」との記載がなければ、本明細書においては、付加的な情報も考慮し得ることが想定されていることに留意されたい。一例として、「aの場合にbする」という記載は、明示した場合を除き、「aの場合に常にbする」ことを必ずしも意味しない。 Please note that in the above embodiment, unless there is a statement such as "based only on XX", "depending only on XX", or "in the case of XX only", it is assumed in this specification that additional information may also be taken into consideration. As an example, the statement "in the case of a, do b" does not necessarily mean "in the case of a, always do b" unless expressly stated.
また、上記実施形態において、「最適化する」又は「最適化されたパラメータ」等の表現が用いられているが、これら「最適化」の表現は、最適な状態に近づけることを意味することに留意されたい。このため、ある関数が最小となるようなパラメータを得ようとする場合、当該関数を最適化して得られたパラメータは、当該関数が最小となるような大局解ではなく、局所解である場合も想定されることに留意されたい。 In addition, in the above embodiment, expressions such as "optimize" or "optimized parameters" are used, but it should be noted that these expressions of "optimization" mean to approach an optimal state. Therefore, when trying to obtain parameters that minimize a certain function, it should be noted that the parameters obtained by optimizing the function may be a local solution rather than a global solution that minimizes the function.
また、何らかの方法、プログラム、端末、装置、サーバ又はシステム(以下「方法等」)において、本明細書で記述された動作と異なる動作を行う側面があるとしても、開示の技術の各態様は、本明細書で記述された動作のいずれかと同一の動作を対象とするものであり、本明細書で記述された動作と異なる動作が存在することは、当該方法等を本開示の技術の各態様の範囲外とするものではない。 In addition, even if there is an aspect of a method, program, terminal, device, server, or system (hereinafter "method, etc.") that performs an operation different from that described in this specification, each aspect of the disclosed technology is directed to an operation identical to any of the operations described in this specification, and the existence of an operation different from that described in this specification does not make the method, etc. outside the scope of each aspect of the disclosed technology.
また、本願明細書中において、プログラムが予めインストールされている実施形態として説明したが、当該プログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して提供することも可能である。 In addition, although the present specification has described an embodiment in which the program is pre-installed, the program can also be provided by storing it on a computer-readable recording medium.
また、本実施形態のハイブリッドシステムの各構成要素は、単一のコンピュータ又はサーバによって実現しなければならないものではなく、ネットワークによって接続された複数のコンピュータに分散して実現されてもよい。 Furthermore, each component of the hybrid system of this embodiment does not have to be realized by a single computer or server, but may be realized in a distributed manner across multiple computers connected by a network.
例えば、上記各実施形態の古典コンピュータが実行する処理は、ネットワークによって接続された複数の古典コンピュータが分散して処理するようにしてもよい。または、例えば、上記各実施形態の量子コンピュータが実行する処理は、ネットワークによって接続された複数の量子コンピュータが分散して処理するようにしてもよい。この場合には、少なくとも1以上の古典コンピュータと少なくとも1以上の量子コンピュータとによってハイブリッドシステムが構成される。例えば、複数の古典コンピュータと複数の量子コンピュータとによってハイブリッドシステムが構成される場合を考える。 For example, the processing performed by the classical computer in each of the above embodiments may be distributed among multiple classical computers connected by a network. Or, for example, the processing performed by the quantum computer in each of the above embodiments may be distributed among multiple quantum computers connected by a network. In this case, a hybrid system is formed by at least one classical computer and at least one quantum computer. For example, consider a case where a hybrid system is formed by multiple classical computers and multiple quantum computers.
例えば、エネルギーの微分を計算する場合、複数の古典コンピュータのうちの1つの古典コンピュータが、分子の原子核の位置を表す位置パラメータxを変数として持つハミルトニアンH^(x)を計算し、分子軌道に関するパラメータである軌道パラメータκを変数として持つ演算子であって、かつ分子軌道の回転を表す演算子である軌道回転演算子U^OO(κ)を決定し、量子回路のパラメータである回路パラメータθを変数として持つ量子回路U^(θ)を決定し、ハミルトニアンH^(x)に対して軌道回転と活性空間への射影とを行うことにより、ハミルトニアンH^(x,κ)を生成し、回路パラメータθを変数として持つ第1目的関数を設定する。そして、1つの古典コンピュータと1つの量子コンピュータとの間の繰り返し計算により、複数の古典コンピュータのうちの1つの古典コンピュータが、1つの量子コンピュータによる量子測定の測定結果に基づいて、第1目的関数を最小化又は最大化するような量子回路U^(θ)の回路パラメータθ*を計算する。複数の古典コンピュータのうちの1つの古典コンピュータが、回路パラメータθ*を定数として持ち、かつ軌道パラメータκを変数として持つ目的関数である第2目的関数を設定する。複数の古典コンピュータのうちの1つの古典コンピュータが、1つの量子コンピュータによる量子測定の測定結果に基づいて、第2目的関数を最小化又は最大化するような軌道パラメータκ*を計算する。複数の量子コンピュータのうちの1つの量子コンピュータが、回路パラメータθ*と軌道パラメータκ*とに基づいて、量子回路U^(θ*)及びハミルトニアンH^(x,κ*)の位置パラメータxによる微分を含む期待値を量子測定することにより、量子測定の測定結果を取得する。そして、複数の古典コンピュータのうちの1つの古典コンピュータである特定古典コンピュータが、量子測定の測定結果に基づいて、ハミルトニアンH^(x)に対応するエネルギーの微分を計算する。 For example, when calculating the derivative of energy, one of the multiple classical computers calculates a Hamiltonian H^(x) having a position parameter x representing the position of the atomic nucleus of a molecule as a variable, determines an orbital rotation operator U^ OO (κ) which is an operator having an orbital parameter κ, which is a parameter related to a molecular orbital, as a variable and which represents the rotation of the molecular orbital, determines a quantum circuit U^(θ) having a circuit parameter θ, which is a parameter of a quantum circuit, as a variable, and performs orbital rotation and projection onto the active space on the Hamiltonian H^(x) to generate a Hamiltonian H^(x, κ), and sets a first objective function having the circuit parameter θ as a variable. Then, by repeated calculations between one classical computer and one quantum computer, one of the multiple classical computers calculates a circuit parameter θ * of the quantum circuit U^(θ) that minimizes or maximizes the first objective function based on the measurement result of the quantum measurement by the one quantum computer. One of the classical computers sets a second objective function, which is an objective function having a circuit parameter θ * as a constant and an orbital parameter κ as a variable. One of the classical computers calculates an orbital parameter κ * that minimizes or maximizes the second objective function based on a measurement result of a quantum measurement by one quantum computer. One of the quantum computers performs quantum measurement on an expectation value including a derivative of the quantum circuit U^(θ * ) and the Hamiltonian H^(x, κ * ) with respect to the position parameter x based on the circuit parameter θ * and the orbital parameter κ * to obtain a measurement result of the quantum measurement. Then, a specific classical computer that is one of the classical computers calculates a derivative of the energy corresponding to the Hamiltonian H^(x) based on the measurement result of the quantum measurement.
また、例えば、非断熱結合の値を計算する場合、複数の古典コンピュータのうちの1つの古典コンピュータが、分子の原子核の位置を表す位置パラメータxを変数として持つハミルトニアンH^(x)を計算し、分子軌道に関するパラメータである軌道パラメータκを変数として持つ演算子であって、かつ分子軌道の回転を表す演算子である軌道回転演算子U^OO(κ)を決定し、量子回路のパラメータである回路パラメータθを変数として持つ量子回路U^(θ)を決定し、ハミルトニアンH^(x)に対して軌道回転と活性空間への射影とを行うことにより、ハミルトニアンH^(x,κ)を生成し、回路パラメータθを変数として持つ第1目的関数を設定する。そして、1つの古典コンピュータと1つの量子コンピュータとの間の繰り返し計算により、複数の古典コンピュータのうちの1つの古典コンピュータが、1つの量子コンピュータによる量子測定の測定結果に基づいて、第1目的関数を最小化又は最大化するような量子回路U^(θ)の回路パラメータθ*を計算する。そして、複数の古典コンピュータのうちの1つの古典コンピュータが、回路パラメータθ*を定数として持ち、かつ軌道パラメータκを変数として持つ目的関数である第2目的関数を設定する。複数の古典コンピュータのうちの1つの古典コンピュータが、1つの量子コンピュータによる量子測定の測定結果に基づいて、第2目的関数を最小化又は最大化するような軌道パラメータκ*を計算する。そして、複数の量子コンピュータのうちの1つの量子コンピュータが、回路パラメータθ*と軌道パラメータκ*とに基づいて、量子回路U^(θ*)及び軌道回転演算子U^OO(κ*)の位置パラメータxによる微分を含む期待値を量子測定することにより、量子測定の測定結果を取得する。そして、複数の古典コンピュータのうちの1つの古典コンピュータである特定古典コンピュータが、量子測定の測定結果に基づいて、非断熱結合の値を計算する。 Also, for example, when calculating the value of a nonadiabatic bond, one of the multiple classical computers calculates a Hamiltonian H^(x) having a position parameter x representing the position of the atomic nucleus of a molecule as a variable, determines an orbital rotation operator U^ OO (κ) which is an operator having an orbital parameter κ, which is a parameter related to a molecular orbital, as a variable and which represents the rotation of the molecular orbital, determines a quantum circuit U^(θ) having a circuit parameter θ, which is a parameter of a quantum circuit, as a variable, and performs orbital rotation and projection onto the active space on the Hamiltonian H^(x) to generate a Hamiltonian H^(x, κ), and sets a first objective function having the circuit parameter θ as a variable. Then, by repeated calculations between one classical computer and one quantum computer, one of the multiple classical computers calculates a circuit parameter θ * of the quantum circuit U^(θ) that minimizes or maximizes the first objective function based on the measurement result of the quantum measurement by one quantum computer. Then, one classical computer of the multiple classical computers sets a second objective function, which is an objective function having the circuit parameter θ * as a constant and the orbital parameter κ as a variable. One classical computer of the multiple classical computers calculates the orbital parameter κ * that minimizes or maximizes the second objective function based on the measurement result of the quantum measurement by one quantum computer. Then, one quantum computer of the multiple quantum computers performs quantum measurement of expectation values including derivatives of the quantum circuit U^(θ * ) and the orbital rotation operator U^ OO (κ * ) with respect to the position parameter x based on the circuit parameter θ * and the orbital parameter κ * to obtain the measurement result of the quantum measurement. Then, a specific classical computer that is one classical computer of the multiple classical computers calculates a value of the nonadiabatic coupling based on the measurement result of the quantum measurement.
100 ハイブリッドシステム
110 古典コンピュータ
111 通信部
112 処理部
113 情報記憶部
120 量子コンピュータ
121 制御装置
122 電磁波生成装置
123 量子ビット群
130 ユーザ端末
Reference Signs List 100 Hybrid system 110 Classical computer 111 Communication unit 112 Processing unit 113 Information storage unit 120 Quantum computer 121 Control device 122 Electromagnetic wave generating device 123 Quantum bit group 130 User terminal
Claims (18)
古典コンピュータが、分子の原子核の位置を表す位置パラメータxを変数として持つハミルトニアンH^(x)を計算し、分子軌道に関するパラメータである軌道パラメータκを変数として持つ演算子であって、かつ分子軌道の回転を表す演算子である軌道回転演算子U^OO(κ)を決定し、量子回路のパラメータである回路パラメータθを変数として持つ量子回路U^(θ)を決定し、前記ハミルトニアンH^(x)に対して軌道回転と活性空間への射影とを行うことにより、ハミルトニアンH^(x,κ)を生成し、前記回路パラメータθを変数として持つ第1目的関数を設定し、
古典コンピュータと量子コンピュータとの間の繰り返し計算により、古典コンピュータが、量子コンピュータによる量子測定の測定結果に基づいて、前記第1目的関数を最小化又は最大化するような前記量子回路U^(θ)の前記回路パラメータθ*を計算し、
古典コンピュータが、前記回路パラメータθ*を定数として持ち、かつ前記軌道パラメータκを変数として持つ目的関数である第2目的関数を設定し、
古典コンピュータが、量子コンピュータによる量子測定の測定結果に基づいて、前記第2目的関数を最小化又は最大化するような前記軌道パラメータκ*を計算し、
量子コンピュータが、前記回路パラメータθ*と前記軌道パラメータκ*とに基づいて、前記量子回路U^(θ*)及び前記ハミルトニアンH^(x,κ*)の前記位置パラメータxによる微分を含む期待値を量子測定することにより、前記量子測定の測定結果を取得し、
古典コンピュータが、前記量子測定の測定結果に基づいて、前記ハミルトニアンH^(x)に対応するエネルギーの微分を計算する、
処理を含む量子情報処理方法。 A quantum information processing method executed by a hybrid system including a classical computer and a quantum computer, comprising:
a classical computer calculates a Hamiltonian H^(x) having as a variable a position parameter x that represents the position of the atomic nucleus of the molecule, determines an orbital rotation operator U^ OO (κ) that is an operator having as a variable an orbital parameter κ that is a parameter related to a molecular orbital and that represents the rotation of the molecular orbital, determines a quantum circuit U^(θ) having as a variable a circuit parameter θ that is a parameter of a quantum circuit, performs orbital rotation and projection onto an active space on the Hamiltonian H^(x) to generate a Hamiltonian H^(x, κ), and sets a first objective function having as a variable the circuit parameter θ;
Through repeated calculations between a classical computer and a quantum computer, the classical computer calculates the circuit parameters θ* of the quantum circuit U^( θ ) so as to minimize or maximize the first objective function based on the measurement results of the quantum measurement by the quantum computer;
A classical computer sets a second objective function, which is an objective function having the circuit parameter θ * as a constant and the trajectory parameter κ as a variable;
A classical computer calculates the trajectory parameter κ * so as to minimize or maximize the second objective function based on the measurement result of the quantum measurement by the quantum computer;
a quantum computer performs quantum measurements on expectation values including differentials of the quantum circuit U^(θ * ) and the Hamiltonian H^(x, κ * ) with respect to the position parameter x based on the circuit parameter θ * and the trajectory parameter κ*, thereby acquiring a measurement result of the quantum measurement;
A classical computer calculates an energy derivative corresponding to the Hamiltonian H^(x) based on the measurement result of the quantum measurement.
Quantum information processing methods including quantum information processing.
量子コンピュータは、以下の式(A1)に示される右辺の各項を量子測定することにより、右辺の各項の前記量子測定の測定結果を出力し、
古典コンピュータは、以下の式(A1)の右辺の各項の前記測定結果の和を計算することにより、以下の式(A1)の左辺が表すエネルギーの1階微分値を計算する、
請求項1に記載の量子情報処理方法。
(A1)
なお、A,Sは固有状態を識別するためのインデックスであり、E(x)は固有エネルギーであり、μはベクトルである前記位置パラメータxの要素を識別するためのインデックスであり、ψは活性空間における固有状態であり、U^(θ)は前記量子回路であり、θ-はベクトルである前記回路パラメータθの要素に対応するラグランジュの未定乗数であり、iはベクトルである前記回路パラメータθの要素を識別するためのインデックスであり、wVQEは固有状態に対する重み係数であり、κ-は行列である前記軌道パラメータκの行列要素に対応するラグランジュの未定乗数であり、p,qは行列要素を識別するためのインデックスであり、wSAは状態平均エネルギーの重み係数である。 When calculating the first derivative of the energy using the subspace-search variational quantum eigensolver (SSVQE),
The quantum computer performs quantum measurement on each term on the right side of the following formula (A1) to output a measurement result of the quantum measurement of each term on the right side:
The classical computer calculates the sum of the measurement results of each term on the right side of the following formula (A1) to calculate a first-order differential value of the energy represented by the left side of the following formula (A1):
2. The quantum information processing method according to claim 1.
(A1)
In addition, A and S are indexes for identifying eigenstates, E(x) is eigenenergy, μ is an index for identifying an element of the position parameter x which is a vector, ψ is an eigenstate in the active space, U^(θ) is the quantum circuit, θ- is an undetermined Lagrange multiplier corresponding to an element of the circuit parameter θ which is a vector, i is an index for identifying an element of the circuit parameter θ which is a vector, wVQE is a weighting coefficient for the eigenstate, κ- is an undetermined Lagrange multiplier corresponding to a matrix element of the orbital parameter κ which is a matrix, p, q are indices for identifying matrix elements, and wSA is a weighting coefficient of the state average energy.
量子コンピュータは、以下の式(A2)に示される右辺の各項を量子測定することにより、右辺の各項の前記量子測定の測定結果を出力し、
古典コンピュータは、以下の式(A2)の右辺の各項の前記測定結果の和を計算することにより、以下の式(A2)の左辺が表すエネルギーの1階微分値を計算する、
請求項1に記載の量子情報処理方法。
(A2)
なお、A,Sは固有状態を識別するためのインデックスであり、E(x)は固有エネルギーであり、μはベクトルである前記位置パラメータxの要素を識別するためのインデックスであり、ψは活性空間における固有状態であり、U^(θ)は前記量子回路であり、θ-はベクトルである前記回路パラメータθの要素に対応するラグランジュの未定乗数であり、iはベクトルである前記回路パラメータθの要素を識別するためのインデックスであり、κ-は行列である前記軌道パラメータκの行列要素に対応するラグランジュの未定乗数であり、p,qは行列要素を識別するためのインデックスであり、wSAは状態平均エネルギーの重み係数である。 When calculating the first derivative of the energy using variational quantum deflation (VQD),
The quantum computer performs quantum measurement on each term on the right side of the following formula (A2), and outputs a measurement result of the quantum measurement of each term on the right side:
The classical computer calculates a first-order differential value of the energy represented by the left side of the following formula (A2) by calculating the sum of the measurement results of each term on the right side of the following formula (A2):
2. The quantum information processing method according to claim 1.
(A2)
In addition, A and S are indexes for identifying eigenstates, E(x) is eigenenergy, μ is an index for identifying an element of the position parameter x which is a vector, ψ is an eigenstate in the active space, U^(θ) is the quantum circuit, θ- is an undetermined Lagrange multiplier corresponding to an element of the circuit parameter θ which is a vector, i is an index for identifying an element of the circuit parameter θ which is a vector, κ- is an undetermined Lagrange multiplier corresponding to a matrix element of the orbital parameter κ which is a matrix, p, q are indices for identifying matrix elements, and wSA is a weighting coefficient of the state average energy.
量子コンピュータは、以下の式(A3)に示される右辺の各項を量子測定することにより、右辺の各項の前記量子測定の測定結果を出力し、
古典コンピュータは、以下の式(A3)の右辺の各項の前記測定結果の和を計算することにより、以下の式(A3)の左辺が表すエネルギーの1階微分値を計算する、
請求項1に記載の量子情報処理方法。
(A3)
なお、S,Tは固有状態を識別するためのインデックスであり、hは固有エネルギーを表す行列の要素であり、μはベクトルである前記位置パラメータxの要素を識別するためのインデックスであり、ψは活性空間における固有状態であり、U^(θ)は前記量子回路であり、θ-はベクトルである前記回路パラメータθの要素に対応するラグランジュの未定乗数であり、κ-は行列である前記軌道パラメータκの行列要素に対応するラグランジュの未定乗数であり、p,qは行列要素を識別するためのインデックスであり、wSAは状態平均エネルギーの重み係数である。 When calculating the first derivative of the energy using MCVQE (Multistate-contracted variational quantum eigensolver),
The quantum computer performs quantum measurement on each term on the right side of the following formula (A3), and outputs a measurement result of the quantum measurement of each term on the right side:
The classical computer calculates the sum of the measurement results of each term on the right side of the following formula (A3) to calculate a first-order differential value of the energy represented by the left side of the following formula (A3):
2. The quantum information processing method according to claim 1.
(A3)
In addition, S and T are indices for identifying eigenstates, h is an element of a matrix representing eigenenergy, μ is an index for identifying an element of the position parameter x which is a vector, ψ is an eigenstate in the active space, U^(θ) is the quantum circuit, θ- is an undetermined Lagrange multiplier corresponding to an element of the circuit parameter θ which is a vector, κ- is an undetermined Lagrange multiplier corresponding to a matrix element of the orbital parameter κ which is a matrix, p, q are indices for identifying matrix elements, and wSA is a weighting coefficient of the state average energy.
量子コンピュータは、以下の式(B1)に示される右辺の各項を量子測定することにより、右辺の各項の前記量子測定の測定結果を出力し、
古典コンピュータは、以下の式(B1)の右辺の各項の前記測定結果の和を計算することにより、以下の式(B1)の左辺が表すエネルギーの2階微分値を計算する、
請求項1に記載の量子情報処理方法。
(B1)
なお、Aは固有状態を識別するためのインデックスであり、E(x)は固有エネルギーであり、ESSVQEはSSVQEを用いた場合の前記第1目的関数に相当する損失関数であり、ESAは状態平均エネルギーであり、μ,νはベクトルである前記位置パラメータxの要素を識別するためのインデックスであり、ψは活性空間における固有状態であり、U^(θ)は前記量子回路であり、θ-はベクトルである前記回路パラメータθの要素に対応するラグランジュの未定乗数であり、i,jはベクトル要素を識別するためのインデックスであり、κ-は行列である前記軌道パラメータκの行列要素に対応するラグランジュの未定乗数であり、p,q,m,nは行列要素を識別するためのインデックスであり、
は隣接する項のμとνとが入れ替えられた項を表す。 When calculating the second derivative of the energy using the subspace-search variational quantum eigensolver (SSVQE),
The quantum computer performs quantum measurement on each term on the right side of the following formula (B1) to output a measurement result of the quantum measurement of each term on the right side,
The classical computer calculates the sum of the measurement results of each term on the right side of the following formula (B1) to calculate a second derivative of the energy represented by the left side of the following formula (B1):
2. The quantum information processing method according to claim 1.
(B1)
In addition, A is an index for identifying an eigenstate, E(x) is an eigenenergy, E SSVQE is a loss function equivalent to the first objective function when SSVQE is used, E SA is a state average energy, μ, ν are indexes for identifying elements of the position parameter x which is a vector, ψ is an eigenstate in the active space, U^(θ) is the quantum circuit, θ- is an undetermined Lagrange multiplier corresponding to an element of the circuit parameter θ which is a vector, i, j are indexes for identifying vector elements, κ- is an undetermined Lagrange multiplier corresponding to a matrix element of the orbital parameter κ which is a matrix, and p, q, m, n are indexes for identifying matrix elements,
represents a term in which the adjacent terms μ and ν are swapped.
古典コンピュータが、分子の原子核の位置を表す位置パラメータxを変数として持つハミルトニアンH^(x)を計算し、分子軌道に関するパラメータである軌道パラメータκを変数として持つ演算子であって、かつ分子軌道の回転を表す演算子である軌道回転演算子U^OO(κ)を決定し、量子回路のパラメータである回路パラメータθを変数として持つ量子回路U^(θ)を決定し、前記ハミルトニアンH^(x)に対して軌道回転と活性空間への射影とを行うことにより、ハミルトニアンH^(x,κ)を生成し、前記回路パラメータθを変数として持つ第1目的関数を設定し、
古典コンピュータと量子コンピュータとの間の繰り返し計算により、古典コンピュータが、量子コンピュータによる量子測定の測定結果に基づいて、量子コンピュータが、前記第1目的関数を最小化又は最大化するような前記量子回路U^(θ)の前記回路パラメータθ*を計算し、
古典コンピュータが、前記回路パラメータθ*を定数として持ち、かつ前記軌道パラメータκを変数として持つ目的関数である第2目的関数を設定し、
古典コンピュータが、量子コンピュータによる量子測定の測定結果に基づいて、量子コンピュータが、前記第2目的関数を最小化又は最大化するような前記軌道パラメータκ*を計算し、
量子コンピュータが、前記回路パラメータθ*と前記軌道パラメータκ*とに基づいて、前記量子回路U^(θ*)及び前記軌道回転演算子U^OO(κ*)の前記位置パラメータxによる微分を含む期待値を量子測定することにより、前記量子測定の測定結果を取得し、
古典コンピュータが、前記量子測定の測定結果に基づいて、非断熱結合の値を計算する、
処理を含む量子情報処理方法。 A quantum information processing method executed by a hybrid system including a classical computer and a quantum computer, comprising:
a classical computer calculates a Hamiltonian H^(x) having as a variable a position parameter x that represents the position of the atomic nucleus of the molecule, determines an orbital rotation operator U^ OO (κ) that is an operator having as a variable an orbital parameter κ that is a parameter related to a molecular orbital and that represents the rotation of the molecular orbital, determines a quantum circuit U^(θ) having as a variable a circuit parameter θ that is a parameter of a quantum circuit, performs orbital rotation and projection onto an active space on the Hamiltonian H^(x) to generate a Hamiltonian H^(x,κ), and sets a first objective function having as a variable the circuit parameter θ;
Through repeated calculations between a classical computer and a quantum computer, the classical computer calculates the circuit parameters θ* of the quantum circuit U^(θ ) based on the measurement results of the quantum measurement by the quantum computer such that the quantum computer minimizes or maximizes the first objective function;
A classical computer sets a second objective function, which is an objective function having the circuit parameter θ * as a constant and the trajectory parameter κ as a variable;
A classical computer calculates the trajectory parameter κ * based on a measurement result of the quantum measurement by the quantum computer so that the quantum computer minimizes or maximizes the second objective function;
a quantum computer performs quantum measurement of expectation values including differentials of the quantum circuit U^(θ * ) and the orbital rotation operator U^ OO (κ * ) with respect to the position parameter x based on the circuit parameter θ * and the orbital parameter κ*, thereby acquiring a measurement result of the quantum measurement;
A classical computer calculates a value of the nonadiabatic coupling based on the measurement result of the quantum measurement.
Quantum information processing methods including quantum information processing.
量子コンピュータは、以下の式(C1)に示される右辺の各項を量子測定することにより、右辺の各項の前記量子測定の測定結果を出力し、
古典コンピュータは、以下の式(C1)の右辺の各項の前記測定結果の和を計算することにより、以下の式(C1)の左辺が表す非断熱結合の値を計算する、
処理を含む請求項6に記載の量子情報処理方法。
(C1)
なお、S,Tは固有状態を識別するためのインデックスであり、μはベクトルである前記位置パラメータxの要素を識別するためのインデックスであり、ψは活性空間における固有状態であり、U^OO(κ)は前記軌道回転演算子であり、U^(θ)は前記量子回路であり、jはベクトルである前記回路パラメータθの要素を識別するためのインデックスであり、κp,qは行列である前記軌道パラメータκの行列要素であり、p,qは行列要素を識別するためのインデックスである。 When calculating nonadiabatic coupling using the subspace-search variational quantum eigensolver (SSVQE),
The quantum computer performs quantum measurement on each term on the right side of the following formula (C1) to output a measurement result of the quantum measurement of each term on the right side,
The classical computer calculates the sum of the measurement results of each term on the right side of the following formula (C1) to calculate the value of the nonadiabatic bond represented by the left side of the following formula (C1):
The quantum information processing method according to claim 6, further comprising the step of:
(C1)
In addition, S and T are indices for identifying eigenstates, μ is an index for identifying an element of the position parameter x which is a vector, ψ is an eigenstate in the active space, U^ OO (κ) is the orbit rotation operator, U^(θ) is the quantum circuit, j is an index for identifying an element of the circuit parameter θ which is a vector, κp ,q are matrix elements of the orbital parameter κ which is a matrix, and p, q are indices for identifying matrix elements.
量子コンピュータは、以下の式(C2)に示される右辺の各項を量子測定することにより、右辺の各項の前記量子測定の測定結果を出力し、
古典コンピュータは、以下の式(C2)の右辺の各項の前記測定結果の和を計算することにより、以下の式(C2)の左辺が表す非断熱結合の値を計算する、
処理を含む請求項6に記載の量子情報処理方法。
(C2)
なお、S,T,M,Nは固有状態を識別するためのインデックスであり、μはベクトルである前記位置パラメータxの要素を識別するためのインデックスであり、ψは活性空間における固有状態であり、vは固有状態に対応する固有ベクトルであり、U^OO(κ)は前記軌道回転演算子であり、U^(θ)は前記量子回路である。 When calculating nonadiabatic coupling using MCVQE (Multistate-contracted variational quantum eigensolver),
The quantum computer performs quantum measurement on each term on the right side of the following formula (C2), and outputs a measurement result of the quantum measurement of each term on the right side:
The classical computer calculates the sum of the measurement results of each term on the right side of the following formula (C2) to calculate the value of the nonadiabatic coupling represented by the left side of the following formula (C2):
The quantum information processing method according to claim 6, further comprising the step of:
(C2)
Note that S, T, M, and N are indexes for identifying eigenstates, μ is an index for identifying an element of the position parameter x, which is a vector, ψ is an eigenstate in the active space, v is an eigenvector corresponding to the eigenstate, U^ OO (κ) is the orbit rotation operator, and U^(θ) is the quantum circuit.
前記古典コンピュータと前記量子コンピュータとは、前記コンピュータネットワークを介して情報の送受信を行う、
請求項1~請求項8の何れか1項に記載の量子情報処理方法。 the classical computer and the quantum computer are connected via a computer network;
The classical computer and the quantum computer transmit and receive information via the computer network.
The quantum information processing method according to any one of claims 1 to 8.
1つの古典コンピュータが、分子の原子核の位置を表す位置パラメータxを変数として持つハミルトニアンH^(x)を計算し、分子軌道に関するパラメータである軌道パラメータκを変数として持つ演算子であって、かつ分子軌道の回転を表す演算子である軌道回転演算子U^OO(κ)を決定し、量子回路のパラメータである回路パラメータθを変数として持つ量子回路U^(θ)を決定し、前記ハミルトニアンH^(x)に対して軌道回転と活性空間への射影とを行うことにより、ハミルトニアンH^(x,κ)を生成し、前記回路パラメータθを変数として持つ第1目的関数を設定し、
1つの古典コンピュータと1つの量子コンピュータとの間の繰り返し計算により、1つの古典コンピュータが、量子コンピュータによる量子測定の測定結果に基づいて、前記第1目的関数を最小化又は最大化するような前記量子回路U^(θ)の前記回路パラメータθ*を計算し、
1つの古典コンピュータが、前記回路パラメータθ*を定数として持ち、かつ前記軌道パラメータκを変数として持つ目的関数である第2目的関数を設定し、
1つの古典コンピュータが、1つの量子コンピュータによる量子測定の測定結果に基づいて、前記第2目的関数を最小化又は最大化するような前記軌道パラメータκ*を計算し、
1つの量子コンピュータが、前記回路パラメータθ*と前記軌道パラメータκ*とに基づいて、前記量子回路U^(θ*)及び前記ハミルトニアンH^(x,κ*)の前記位置パラメータxによる微分を含む期待値を量子測定することにより、前記量子測定の測定結果を取得し、
特定古典コンピュータが、前記量子測定の測定結果に基づいて、前記ハミルトニアンH^(x)に対応するエネルギーの微分を計算する、
処理を実行する量子情報処理方法。 A quantum information processing method executed by a specific classical computer, which is one classical computer in a hybrid system including at least one classical computer and at least one quantum computer, comprising:
one classical computer calculates a Hamiltonian H^(x) having as a variable a position parameter x that represents the position of the atomic nucleus of a molecule, determines an orbital rotation operator U^ OO (κ) that is an operator having as a variable an orbital parameter κ that is a parameter related to a molecular orbital and that represents the rotation of the molecular orbital, determines a quantum circuit U^(θ) having as a variable a circuit parameter θ that is a parameter of a quantum circuit, performs orbital rotation and projection onto an active space on the Hamiltonian H^(x) to generate a Hamiltonian H^(x, κ), and sets a first objective function having as a variable the circuit parameter θ;
By repeated calculations between one classical computer and one quantum computer, one classical computer calculates the circuit parameters θ * of the quantum circuit U^(θ) so as to minimize or maximize the first objective function based on the measurement results of the quantum measurement by the quantum computer;
A classical computer sets a second objective function that has the circuit parameter θ * as a constant and the trajectory parameter κ as a variable;
A classical computer calculates the trajectory parameters κ * based on the measurement results of the quantum measurement by the quantum computer so as to minimize or maximize the second objective function;
a quantum computer performs quantum measurement of an expectation value including a derivative of the quantum circuit U^(θ * ) and the Hamiltonian H^(x, κ * ) with respect to the position parameter x based on the circuit parameter θ * and the trajectory parameter κ*, thereby obtaining a measurement result of the quantum measurement;
A specific classical computer calculates an energy derivative corresponding to the Hamiltonian H^(x) based on the measurement result of the quantum measurement.
A quantum information processing method for performing the process.
1つの古典コンピュータが、分子の原子核の位置を表す位置パラメータxを変数として持つハミルトニアンH^(x)を計算し、分子軌道に関するパラメータである軌道パラメータκを変数として持つ演算子であって、かつ分子軌道の回転を表す演算子である軌道回転演算子U^OO(κ)を決定し、量子回路のパラメータである回路パラメータθを変数として持つ量子回路U^(θ)を決定し、前記ハミルトニアンH^(x)に対して軌道回転と活性空間への射影とを行うことにより、ハミルトニアンH^(x,κ)を生成し、前記回路パラメータθを変数として持つ第1目的関数を設定し、
1つの古典コンピュータと1つの量子コンピュータとの間の繰り返し計算により、1つの古典コンピュータが、1つの量子コンピュータによる量子測定の測定結果に基づいて、1つの量子コンピュータが、前記第1目的関数を最小化又は最大化するような前記量子回路U^(θ)の前記回路パラメータθ*を計算し、
1つの古典コンピュータが、前記回路パラメータθ*を定数として持ち、かつ前記軌道パラメータκを変数として持つ目的関数である第2目的関数を設定し、
1つの古典コンピュータが、1つの量子コンピュータによる量子測定の測定結果に基づいて、前記第2目的関数を最小化又は最大化するような前記軌道パラメータκ*を計算し、
1つの量子コンピュータが、前記回路パラメータθ*と前記軌道パラメータκ*とに基づいて、前記量子回路U^(θ*)及び前記軌道回転演算子U^OO(κ*)の前記位置パラメータxによる微分を含む期待値を量子測定することにより、前記量子測定の測定結果を取得し、
特定古典コンピュータが、前記量子測定の測定結果に基づいて、非断熱結合の値を計算する、
処理を実行する量子情報処理方法。 A quantum information processing method executed by a specific classical computer, which is one classical computer in a hybrid system including at least one classical computer and at least one quantum computer, comprising:
one classical computer calculates a Hamiltonian H^(x) having as a variable a position parameter x that represents the position of the atomic nucleus of a molecule, determines an orbital rotation operator U^ OO (κ) that is an operator having as a variable an orbital parameter κ that is a parameter related to a molecular orbital and that represents the rotation of the molecular orbital, determines a quantum circuit U^(θ) that has as a variable a circuit parameter θ that is a parameter of a quantum circuit, performs orbital rotation and projection onto an active space on the Hamiltonian H^(x) to generate a Hamiltonian H^(x, κ), and sets a first objective function that has as a variable the circuit parameter θ;
Through repeated calculations between one classical computer and one quantum computer, one classical computer calculates the circuit parameters θ* of the quantum circuit U^(θ) based on the measurement results of the quantum measurement by the one quantum computer such that the first objective function is minimized or maximized;
A classical computer sets a second objective function that has the circuit parameter θ * as a constant and the trajectory parameter κ as a variable;
A classical computer calculates the trajectory parameters κ * based on the measurement results of the quantum measurement by the quantum computer so as to minimize or maximize the second objective function;
a quantum computer performs quantum measurement of an expectation value including a derivative of the quantum circuit U^(θ * ) and the orbital rotation operator U^ OO (κ * ) with respect to the position parameter x based on the circuit parameter θ * and the orbital parameter κ*, thereby obtaining a measurement result of the quantum measurement;
A specific classical computer calculates the value of the nonadiabatic coupling based on the measurement result of the quantum measurement.
A quantum information processing method for performing the process.
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