WO2021177031A1 - Quantum computer, quantum computation method, and program - Google Patents

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Abstract

[Problem] To provide a technology related to a quantum computer in which the overall number of gate operations is reduced. [Solution] One embodiment of the present invention provides a quantum computer capable of using an imaginary time evolution method to process an optimization problem. This quantum computer is provided with a quantum processor and a storage unit. The quantum processor is configured so as to read a program stored in the storage unit to execute each subsequent step. In a cost function setting step, a prescribed cost function is set as the series sum of a first operator that acts on two quantum bits. The cost function probabilistically has a plurality of levels. In a computation step, an imaginary time evolution computation is executed, in which the existence probability of a desired level among the plurality of levels is increased by means of a quantum gate that includes an imaginary time evolution operator which is dependent on the first operator. With regard to making the imaginary time evolution operator unitary, the first operator is expressed as the series sum of a second operator comprising only a small number of quantum bit operations.

Description

量子計算機、量子計算方法及びプログラムQuantum computer, quantum calculation method and program
 本発明は、量子計算機、量子計算方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a quantum computer, a quantum calculation method, and a program.
 量子力学を情報処理に用いた量子情報処理が提案されている。また、このような量子情報処理に基づく量子計算機が、多く研究されている。 Quantum information processing using quantum mechanics for information processing has been proposed. In addition, many quantum computers based on such quantum information processing have been studied.
 例えば、非特許文献1には、虚時間発展法を用いた量子計算アルゴリズムが開示されている。 For example, Non-Patent Document 1 discloses a quantum calculation algorithm using an imaginary time evolution method.
 しかし、NISQにおけるゲート操作数には、大きくとる事ができないという厳しい上限値がある。ゲート操作数が膨大となると量子計算機として実現することがそもそも困難となるだけではなく、ゲート操作時に発生するエラーの影響を大きく受けることにもなる。そのため、ゲート操作数を可能な限り削減した量子計算機、量子計算手法及びプログラムが重要になっている。 However, the number of gate operations in NISQ has a strict upper limit that cannot be taken large. If the number of gate operations becomes enormous, not only will it be difficult to realize it as a quantum computer, but it will also be greatly affected by errors that occur during gate operations. Therefore, quantum computers, quantum computing methods, and programs that reduce the number of gate operations as much as possible are important.
 本発明では上記事情を鑑み、全体のゲート操作数を削減した量子計算機に関する技術を提供することとした。 In view of the above circumstances, the present invention has decided to provide a technique related to a quantum computer in which the total number of gate operations is reduced.
 本発明の一態様によれば、虚時間発展法を用いて最適化問題を処理可能な量子計算機が提供される。この量子計算機は、量子プロセッサと、記憶部とを備える。量子プロセッサは、記憶部に記憶されたプログラムを読み出すことで、次の各ステップを実行するように構成される。コスト関数設定ステップでは、2量子ビットに作用する第1の演算子の級数和として所定のコスト関数を設定する。コスト関数は、複数の準位を確率的に有する。演算ステップでは、第1の演算子に依存する虚時間発展演算子を含む量子ゲートにより、複数の準位のうち所望の準位の存在確率を増加させる虚時間発展の演算を実行する。虚時間発展演算子がユニタリ化されるにあたり、第1の演算子は、少数量子ビット操作のみからなる第2の演算子の級数和として表される。 According to one aspect of the present invention, a quantum computer capable of processing an optimization problem using an imaginary time evolution method is provided. This quantum computer includes a quantum processor and a storage unit. The quantum processor is configured to execute each of the following steps by reading the program stored in the storage unit. In the cost function setting step, a predetermined cost function is set as the series sum of the first operator acting on the two qubits. The cost function stochastically has multiple levels. In the calculation step, a quantum gate including an imaginary time evolution operator that depends on the first operator executes an imaginary time evolution operation that increases the existence probability of a desired level among a plurality of levels. When the imaginary time evolution operator is unitaryized, the first operator is expressed as a series sum of the second operator consisting only of minority qubit operations.
 このような量子計算機では、虚時間発展法を用いた際の通常のゲート操作数よりも合計のゲート操作数が小さくなるので、現実的なNISQのハードウェアとして実現されうる。 In such a quantum computer, the total number of gate operations is smaller than the number of normal gate operations when the imaginary time evolution method is used, so that it can be realized as realistic NISQ hardware.
量子計算機1のハードウェア構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the hardware structure of a quantum computer 1. 量子計算機1(制御部5)の機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the functional structure of the quantum computer 1 (control unit 5). 所定の量子ビット数で打ち切った場合の虚時間発展演算子U(Δτ)を実行するために必要ゲート操作数と、問題のサイズとの関係を示している。It shows the relationship between the number of gate operations required to execute the imaginary time evolution operator U (Δτ) when it is truncated at a predetermined number of qubits and the size of the problem. 要素数がN=10のMax-cut問題の概要図の1つの例である。This is an example of a schematic diagram of a Max-cut problem in which the number of elements is N = 10. 虚時間発展させた場合の、従来(比較例)と本実施形態に係る所望の準位Eへの収束の態様を示している。The mode of convergence to the desired level E according to the conventional (comparative example) and the present embodiment when the imaginary time is developed is shown. 要素数がN=10のMax-cut問題の概要図のもう1つの例である。This is another example of the schematic diagram of the Max-cut problem in which the number of elements is N = 10. 虚時間発展させた場合の、従来(比較例)と本実施形態に係る所望の準位Eへの収束の態様を示している。The mode of convergence to the desired level E according to the conventional (comparative example) and the present embodiment when the imaginary time is developed is shown. 本実施形態に係るゲート操作を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the gate operation which concerns on this embodiment. 図4で表されるMax-cut問題へと、新しい量子計算方法(D=2)で虚時間発展させた場合と、新しい量子計算方法(D=2)に加えてゲート操作の束化を行った虚時間発展をさせた場合の、所望の準位Eへの収束の態様を示している。The Max-cut problem shown in FIG. 4 is developed by the new quantum calculation method (D = 2) in imaginary time, and the gate operation is bundled in addition to the new quantum calculation method (D = 2). It shows the mode of convergence to the desired level E when the imaginary time evolution is carried out. 量子計算方法の一例を示すアクティビティ図である。It is an activity diagram which shows an example of a quantum calculation method.
 以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The various features shown in the embodiments shown below can be combined with each other.
 ところで、本実施形態に登場するソフトウェアを実現するためのプログラムは、コンピュータが読み取り可能な非一時的な記録媒体(Non-Transitory Computer-Readable Medium)として提供されてもよいし、外部のサーバからダウンロード可能に提供されてもよいし、外部のコンピュータで当該プログラムを起動させてクライアント端末でその機能を実現(いわゆるクラウドコンピューティング)するように提供されてもよい。 By the way, the program for realizing the software appearing in the present embodiment may be provided as a non-transitory recording medium (Non-Transity Computer-Readable Medium) that can be read by a computer, or may be downloaded from an external server. It may be provided as possible, or it may be provided so that the program is started by an external computer and the function is realized by the client terminal (so-called cloud computing).
 また、本実施形態において「部」とは、例えば、広義の回路によって実施されるハードウェア資源と、これらのハードウェア資源によって具体的に実現されうるソフトウェアの情報処理とを合わせたものも含みうる。また、本実施形態においては様々な情報を取り扱うが、これら情報は、例えば電圧・電流を表す信号値の物理的な値、0または1で構成される2進数のビット集合体としての信号値の高低、または量子的な重ね合わせ(いわゆる量子ビット)によって表され、広義の回路上で通信・演算が実行されうる。 Further, in the present embodiment, the "part" may include, for example, a combination of hardware resources implemented by a circuit in a broad sense and information processing of software that can be concretely realized by these hardware resources. .. In addition, various information is handled in this embodiment, and these information are, for example, physical values of signal values representing voltage and current, and signal values as a binary bit set composed of 0 or 1. It is represented by high-low or quantum superposition (so-called qubit), and communication / operation can be executed on a circuit in a broad sense.
 また、広義の回路とは、回路(Circuit)、回路類(Circuitry)、プロセッサ(Processor)、およびメモリ(Memory)等を少なくとも適当に組み合わせることによって実現される回路である。すなわち、特定用途向け集積回路(Application Specific Integrated Circuit:ASIC)、プログラマブル論理デバイス(例えば、単純プログラマブル論理デバイス(Simple Programmable Logic Device:SPLD)、複合プログラマブル論理デバイス(Complex Programmable Logic Device:CPLD)、およびフィールドプログラマブルゲートアレイ(Field Programmable Gate Array:FPGA))等を含むものである。 Further, a circuit in a broad sense is a circuit realized by at least appropriately combining a circuit (Circuit), circuits (Circuitry), a processor (Processor), a memory (Memory), and the like. That is, an integrated circuit for a specific application (Application Special Integrated Circuit: ASIC), a programmable logic device (for example, a simple programmable logic device (Simple Programmable Logical Device: SPLD), a composite programmable logic device (Complex Program)) It includes a programmable gate array (Field Programmable Gate Array: FPGA) and the like.
1.ハードウェア構成
 本節では、虚時間発展法を用いて最適化問題を処理可能に構成された量子計算機1のハードウェア構成について説明する。
1. 1. Hardware configuration This section describes the hardware configuration of the quantum computer 1 that is configured to be able to process optimization problems using the imaginary time evolution method.
 図1は、量子計算機1のハードウェア構成を示すブロック図である。図1に示されるように、量子計算機1は、通信部3と、記憶部4と、制御部5と、表示部6と、入力部7とを有し、これらの構成要素が量子計算機1の内部において通信バス2を介して接続されている。以下、各構成要素についてさらに説明する。 FIG. 1 is a block diagram showing the hardware configuration of the quantum computer 1. As shown in FIG. 1, the quantum computer 1 includes a communication unit 3, a storage unit 4, a control unit 5, a display unit 6, and an input unit 7, and these components are the quantum computer 1. It is internally connected via the communication bus 2. Hereinafter, each component will be further described.
(通信部3)
 通信部3は、量子計算機1が他の情報処理装置(古典計算機、量子計算機又はそれらを組み合わせた計算機を含む)又は周辺機器と情報通信をするために使用される。通信部3は、量子メモリ、USB、IEEE1394、Thunderbolt、有線LANネットワーク通信等といった有線型の通信手段が好ましいものの、無線LANネットワーク通信、3G/LTE/5G等のモバイル通信、Bluetooth(登録商標)通信等を必要に応じて含めてもよい。すなわち、これら複数の通信手段の集合として実施することがより好ましい。
(Communication unit 3)
The communication unit 3 is used for the quantum computer 1 to perform information communication with another information processing device (including a classical computer, a quantum computer, or a computer combining them) or a peripheral device. Although wired communication means such as quantum memory, USB, IEEE1394, Thunderbolt, and wired LAN network communication are preferable, the communication unit 3 is wireless LAN network communication, mobile communication such as 3G / LTE / 5G, and Bluetooth (registered trademark) communication. Etc. may be included as necessary. That is, it is more preferable to carry out as a set of these plurality of communication means.
(記憶部4)
 記憶部4は、前述の記載により定義される様々な情報を記憶する。これは、例えば量子メモリ、ソリッドステートドライブ(Solid State Drive:SSD)等のストレージデバイスとして、あるいは、プログラムの演算に係る一時的に必要な情報(引数、配列等)を記憶する量子メモリ、ランダムアクセスメモリ(Random Access Memory:RAM)等のメモリとして実施されうる。また、これらの組合せであってもよい。
(Memory unit 4)
The storage unit 4 stores various information defined by the above description. This is, for example, a quantum memory, a storage device such as a solid state drive (SSD), or a quantum memory that stores temporarily necessary information (arguments, arrays, etc.) related to program operations, random access. It can be implemented as a memory such as a memory (Random Access Memory: RAM). Moreover, these combinations may be used.
 特に、記憶部4は、次に説明する制御部5が読み出し可能な、コスト関数設定部プログラムと、初期化プログラムと、量子ゲートプログラムと、回数決定プログラムと、特定プログラムとを記憶している。また、記憶部4は、量子計算機1によって処理可能な最適化問題を必要に応じて記憶する。 In particular, the storage unit 4 stores a cost function setting unit program, an initialization program, a quantum gate program, a number determination program, and a specific program that can be read by the control unit 5 described below. Further, the storage unit 4 stores the optimization problem that can be processed by the quantum computer 1 as needed.
(制御部5)
 制御部5は、量子計算機1に関連する全体動作の処理・制御を行う。制御部5は、例えば不図示の中央処理装置(Central Processing Unit:CPU)である。より好ましくは、制御部5は、量子プロセッサである。制御部5は、記憶部4に記憶された、又は通信部3を介して入力される所定のプログラムを読み出すことによって、量子計算機1に係る種々の機能を実現する。具体的にはコスト関数設定機能と、初期化機能と、量子ゲート機能と、回数決定機能と、特定機能とが該当する。すなわち、ソフトウェア(記憶部4に記憶されている、又は通信部3を介して他の情報処理装置から入力されている)による情報処理がハードウェア(制御部5)によって具体的に実現されることで、図2に示されるような、コスト関数設定部51、初期化部52、量子ゲート53、回数決定部54及び特定部55として実行されうる。これらについては、第2節において詳述する。
(Control unit 5)
The control unit 5 processes and controls the entire operation related to the quantum computer 1. The control unit 5 is, for example, a central processing unit (CPU) (not shown). More preferably, the control unit 5 is a quantum processor. The control unit 5 realizes various functions related to the quantum computer 1 by reading a predetermined program stored in the storage unit 4 or input via the communication unit 3. Specifically, it corresponds to a cost function setting function, an initialization function, a quantum gate function, a number of times determination function, and a specific function. That is, information processing by software (stored in the storage unit 4 or input from another information processing device via the communication unit 3) is specifically realized by the hardware (control unit 5). As shown in FIG. 2, it can be executed as a cost function setting unit 51, an initialization unit 52, a quantum gate 53, a number of times determination unit 54, and a specific unit 55. These will be described in detail in Section 2.
 なお、図1においては、単一の制御部5として表記されているが、実際はこれに限るものではなく、機能ごとに複数の制御部5を有するように実施してもよい。またそれらの組合せであってもよい。 Although it is described as a single control unit 5 in FIG. 1, it is not actually limited to this, and it may be implemented so as to have a plurality of control units 5 for each function. Moreover, it may be a combination thereof.
(表示部6)
 表示部6は、例えば、量子計算機1の筐体に含まれるものであってもよいし、外付けされるものであってもよい。表示部6は、ユーザが操作可能なグラフィカルユーザインターフェース(Graphical User Interface:GUI)の画面を表示する。これは例えば、CRTディスプレイ、液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ及びプラズマディスプレイ等の表示デバイスを適宜実施することが好ましい。
(Display unit 6)
The display unit 6 may be included in the housing of the quantum computer 1 or may be externally attached, for example. The display unit 6 displays a screen of a graphical user interface (GUI) that can be operated by the user. For example, it is preferable to appropriately implement a display device such as a CRT display, a liquid crystal display, an organic EL display, and a plasma display.
(入力部7)
 入力部7は、量子計算機1の筐体に含まれるものであってもよいし、外付けされるものであってもよい。例えば、入力部7は、表示部6と一体となってタッチパネルとして実施されてもよい。タッチパネルであれば、ユーザは、タップ操作、スワイプ操作等を入力することができる。もちろん、タッチパネルに代えて、スイッチボタン、マウス、QWERTYキーボード等を採用してもよい。ユーザは、入力部7を介して量子計算機1に処理させる最適化問題(例えば後述のMax-cut問題)を入力することができる。
(Input unit 7)
The input unit 7 may be included in the housing of the quantum computer 1 or may be externally attached. For example, the input unit 7 may be implemented as a touch panel integrally with the display unit 6. If it is a touch panel, the user can input a tap operation, a swipe operation, and the like. Of course, instead of the touch panel, a switch button, a mouse, a QWERTY keyboard, or the like may be adopted. The user can input an optimization problem (for example, the Max-cut problem described later) to be processed by the quantum computer 1 via the input unit 7.
2.機能構成
 本節では、本実施形態に係る量子計算機1の機能構成について説明する。図2は、量子計算機1(制御部5)の機能構成を示すブロック図である。前述の制御部5に関して、量子計算機1は、コスト関数設定部51と、初期化部52と、量子ゲート53と、回数決定部54と、特定部55とを備える。以下、各構成要素についてさらに説明する。
2. Functional configuration This section describes the functional configuration of the quantum computer 1 according to this embodiment. FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration of the quantum computer 1 (control unit 5). Regarding the above-mentioned control unit 5, the quantum computer 1 includes a cost function setting unit 51, an initialization unit 52, a quantum gate 53, a number of times determination unit 54, and a specific unit 55. Hereinafter, each component will be further described.
(コスト関数設定部51)
 コスト関数設定部51は、ユーザによって入力部7、又は通信部3を介して入力された最適化問題に対し、2量子ビットに作用する第1の演算子L_ijの級数和として所定のコスト関数Lを設定するように構成される。ここでコスト関数Lは、複数の準位を確率的に有する。つまり、コスト関数Lは量子力学的に複数の解を重ね合わせて保持するもので、観測によってそのうちの1つが確率的に定まるものである。
(Cost function setting unit 51)
The cost function setting unit 51 is a predetermined cost function L as a series sum of the first operator L_ij acting on the two qubits for the optimization problem input by the user via the input unit 7 or the communication unit 3. Is configured to set. Here, the cost function L stochastically has a plurality of levels. That is, the cost function L quantum-mechanically holds a plurality of solutions superposed, and one of them is stochastically determined by observation.
(初期化部52)
 初期化部52は、コスト関数設定部51が設定したコスト関数Lを初期化するように構成される。例えば、初期化部52は、初期状態としてすべての量子ビットにアダマールゲートを作用させることで、コスト関数Lを初期化することができる。初期化されたコスト関数Lは、複数の準位を等確率に有することとなる。また、複数の準位を等確率に有する初期状態を用いる以外に、他の何らかの方法で生成された状態を初期状態として用いることもできる。
(Initialization unit 52)
The initialization unit 52 is configured to initialize the cost function L set by the cost function setting unit 51. For example, the initialization unit 52 can initialize the cost function L by causing the Hadamard gate to act on all the qubits as an initial state. The initialized cost function L will have a plurality of levels with equal probability. In addition to using the initial state having a plurality of levels with equal probability, a state generated by some other method can also be used as the initial state.
(量子ゲート53)
 量子ゲート53は、第1の演算子L_ijに依存する虚時間発展演算子Uを含む。また、量子ゲート53は、複数の(例えばX個の)量子ゲート531,532,533,…,53Xからなる(図2参照)。量子ゲート53は、虚時間発展演算子Uにより複数の準位のうち所望の準位Eの存在確率を増加させる虚時間発展の演算を実行するように構成される。ところで、量子ゲート53による演算では、演算子のユニタリ化が必須となる。例えば、虚時間発展演算子Uをユニタリ化する際には、第1の演算子L_ijが2量子ビット、3量子ビット、4量子ビット、又はそれ以上の量子ビットの級数和として表現することができる。
(Quantum gate 53)
The quantum gate 53 includes an imaginary time evolution operator U that depends on the first operator L_ij. Further, the quantum gate 53 is composed of a plurality of (for example, X) quantum gates 531, 532, 533, ..., 53X (see FIG. 2). The quantum gate 53 is configured to perform an imaginary time evolution operation that increases the existence probability of a desired level E among a plurality of levels by the imaginary time evolution operator U. By the way, in the operation by the quantum gate 53, unitaryization of the operator is indispensable. For example, when unitizing the imaginary time evolution operator U, the first operator L_ij can be expressed as a series sum of 2 qubits, 3 qubits, 4 qubits, or more. ..
 しかしながら、2量子ビットで打ち切った場合のゲート操作数は量子ビット数Nを用いて16N程度、3量子ビットで打ち切った場合のゲート操作数は96N程度、4量子ビットで打ち切った場合のゲート操作数は512N程度、一般にD量子ビット操作までで打ち切った場合のゲート操作数は4^D*D(N-1)/2といったように、量子ビット数に応じてゲート操作数が指数関数的に増加してしまう。また、通常、有意義な計算精度を維持するには6量子ビット操作程度は少なくとも必要なことが知られているため、多くのゲート操作数が必要となり、このような虚時間発展演算子Uを用いることはNISQに適した計算量にならない。(図3参照) However, the number of gate operations when the number of qubits is cut off is about 16N using the number of qubits N, and the number of gate operations when the number of qubits is cut off is about 96N. Is about 512N, and the number of gate operations is generally 4 ^ D * D (N-1) / 2 when the process is terminated up to the D qubit operation. The number of gate operations increases exponentially according to the number of qubits. Resulting in. Further, since it is known that at least about 6 qubit operations are usually required to maintain meaningful calculation accuracy, a large number of gate operations are required, and such an imaginary time evolution operator U is used. This does not result in a computational complexity suitable for NISQ. (See Fig. 3)
 そこで、本実施形態では、虚時間発展演算子Uがユニタリ化されるにあたり、第1の演算子L_ijが少数量子ビット操作のみからなる第2の演算子A_kl、A_klm、、、の級数和として表されるように、創意工夫されている。ここでいう少数量子ビットとは、2,3,4,5量子ビットであり、好ましくは、2,3,4量子ビットであり、さらに好ましくは、2,3量子ビットであり、最も好ましくは、2量子ビットである。換言すると、少数量子ビット操作までで打ち切ることで、1つの量子ゲート53におけるゲート操作数を削減することができる。なお、好ましくは、第1の演算子L_ijは、互い独立した第1の添字組ijを含み、第2の演算子A_kl、A_klm、、、は、第1の添字組ijとは独立した第2の添字組kl、klm、、、を含む。これにより、一般にD量子ビット操作までで打ち切った場合のゲート操作数は 4^D*N^{D-1}のオーダに抑えることができる。例えば、第2の演算子を2量子ビット操作までで打ち切った場合のゲート操作数は16N程度になり、3量子ビット操作までで打ち切った場合は64N^2程度となる。(ただし、3量子ビット操作までで打ち切った場合でも、第2の演算子A_klmの一部分のみを取り込むことで、ゲート操作数をオーダNに下げることもできる。)例えば、重み付きグラフのノードを2つのグループに分割する問題(いわゆるMax-cut問題)は、一般性を失うことなく取り扱うことの可能な最適化問題の一例である。このような最適化問題に対して、第2の演算子として、2量子ビット操作までで打ち切っても十分な精度であることを確認しており、1つの量子ゲート53は、最適化問題を解くにあたり16N程度のオーダのゲート操作数を有することとなる。図4は、要素数がN=10のMax-cut問題の概要図である。もちろんあくまでも例示であり、古典コンピュータにおいて指数関数的に計算数が増大する最適化問題の他、電子状態計算や機械学習等において現れる最適化問題を含むものであれば、どのような問題を設定してもよい。 Therefore, in the present embodiment, when the imaginary time evolution operator U is unitaryized, the first operator L_ij is represented as a series sum of the second operators A_kl, A_klm ,,, which consist only of minority qubit operations. It is ingeniously devised so that it can be done. The minority qubits referred to here are 2,3,4,5 qubits, preferably 2,3,4 qubits, more preferably 2,3 qubits, and most preferably. It is 2 qubits. In other words, the number of gate operations in one quantum gate 53 can be reduced by terminating up to a small number of qubit operations. It should be noted that preferably, the first operator L_ij includes the first subscript set ij independent of each other, and the second operators A_kl, A_klm ,,, are the second independent subscript set ij. Includes subscripts kl, klm ,,,. As a result, in general, the number of gate operations when the process is terminated up to the D qubit operation can be suppressed to the order of 4 ^ D * N ^ {D-1}. For example, when the second operator is terminated by up to 2 qubit operations, the number of gate operations is about 16N, and when it is terminated by up to 3 qubit operations, it is about 64N ^ 2. (However, the number of gate operations can be reduced to order N by capturing only a part of the second operator A_klm even if the operation is terminated up to 3 qubit operations.) For example, the number of nodes in a weighted graph can be reduced to 2. The problem of dividing into two groups (so-called Max-cut problem) is an example of an optimization problem that can be handled without losing generality. For such an optimization problem, as a second operator, it has been confirmed that the accuracy is sufficient even if it is terminated by up to 2 qubit operations, and one quantum gate 53 solves the optimization problem. The number of gate operations on the order of about 16N will be provided. FIG. 4 is a schematic diagram of the Max-cut problem in which the number of elements is N = 10. Of course, this is just an example, and if it includes an optimization problem in which the number of calculations increases exponentially in a classical computer, as well as an optimization problem that appears in electronic state calculation, machine learning, etc., what kind of problem is set. You may.
(回数決定部54)
 本実施形態では、虚時間発展演算子Uがユニタリ化されるにあたり、虚時間ステップΔτ単位で本来実施される第1のゲート操作を、臨界回数Δkまとめて1つの新たな第2のゲート操作として扱うことがより好ましい。このような場合において、回数決定部54は、第1のゲート操作を実施した場合と第2のゲート操作を実施した場合との虚時間発展の誤差が所定範囲内になるように、臨界回数Δkを決定するように構成される。回数決定部54が決定する臨界回数Δkの回数は一意的に決定される必要はなく、好ましくは、回数決定部54は、第2のゲート操作ごとに臨界回数Δkをそれぞれ決定するように構成される。つまり、回数決定部54によれば、ゲート操作数を約1/Δk倍に削減することができる。
(Number of times determination unit 54)
In the present embodiment, when the imaginary time evolution operator U is unitaryized, the first gate operation originally performed in the imaginary time step Δτ unit is combined with the critical number Δk as one new second gate operation. It is more preferable to handle. In such a case, the number of times determination unit 54 determines the number of critical times Δk so that the error of the imaginary time evolution between the case where the first gate operation is performed and the case where the second gate operation is performed is within a predetermined range. Is configured to determine. The number of critical times Δk determined by the number determination unit 54 need not be uniquely determined, and preferably the number determination unit 54 is configured to determine the critical number Δk for each second gate operation. NS. That is, according to the number of times determination unit 54, the number of gate operations can be reduced to about 1 / Δk times.
 臨界回数Δkの決定する方法として、好ましくは、回数決定部54は、臨界回数を1ずつ増加させる増加処理を繰り返し実行し、所定回次における増加処理において、系のエネルギーが上昇した場合に、増加処理を中断し、この所定回次又はこれより1小さい値を臨界回数に設定する。換言すると、Δkの値を1増やす増加処理を適宜行いながら、第1のゲート操作を順次、第2のゲート操作としてまとめたものを生成し、あるタイミングでのΔkを1増やす増加処理の前と後とで、第2の演算子を作用させた際に、系のエネルギーが上昇している場合は、Δkの値の更新をそこで打ち切ればよい。これは、まとめたことにより、虚時間発展の誤差が蓄積し、虚時間発展演算子Uによりエネルギーを下げる効果よりも誤差の大きさが同等レベルにまで大きくなるためである。 As a method for determining the critical number Δk, preferably, the number determination unit 54 repeatedly executes an increase process for increasing the critical number by 1, and increases when the energy of the system increases in the increase process in the predetermined order. The processing is interrupted, and the predetermined number of times or a value 1 less than this is set as the critical number of times. In other words, while appropriately performing the increase process of increasing the value of Δk by 1, the first gate operation is sequentially summarized as the second gate operation, and before the increase process of increasing Δk by 1 at a certain timing. Later, when the energy of the system rises when the second operator is operated, the update of the value of Δk may be stopped there. This is because the error of the imaginary time evolution is accumulated by summarizing, and the magnitude of the error becomes larger than the effect of lowering the energy by the imaginary time evolution operator U to the same level.
(特定部55)
 特定部55は、量子ゲート53によって虚時間発展されたコスト関数Lの、所望の準位Eを特定するように構成される。前述の通り、量子ゲート53及び回数決定部54を、必要数繰り返すことで、コスト関数Lが虚時間発展され、その結果、所望の準位E(低いコスト又は、低いエネルギー)の存在確率が増加する。図4に示されるMax-cut問題であれば、特定部55で特定された準位Eに-1を乗じた値を最適化問題の解として特定することができ、解として11が特定される。
(Specific part 55)
The identification unit 55 is configured to identify the desired level E of the cost function L developed in imaginary time by the quantum gate 53. As described above, by repeating the quantum gate 53 and the number of times determination unit 54 as many times as necessary, the cost function L is developed in imaginary time, and as a result, the existence probability of the desired level E (low cost or low energy) increases. do. In the case of the Max-cut problem shown in FIG. 4, the value obtained by multiplying the level E specified by the specific unit 55 by -1 can be specified as the solution of the optimization problem, and 11 is specified as the solution. ..
3.理論
 本説では、前述した機能構成に関する量子力学的な理論について補足する。
3. 3. Theory This theory supplements the quantum mechanical theory of functional composition described above.
3.1 2量子ビット打ち切り
 与えられた問題に対するコスト関数Lは、第1の演算子L_iを用いて数1のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
3.1 2 Qubit truncation The cost function L for a given problem is expressed as Equation 1 using the first operator L_i.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 また、これ対してNΔτだけ虚時間方向に時間を進める虚時間発展演算子U(NΔτ)は、数2にように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
On the other hand, the imaginary time evolution operator U (NΔτ) that advances the time in the imaginary time direction by NΔτ is expressed by Equation 2.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 さらに、Δτだけ虚時間方向に時間を進める虚時間発展演算子U(Δτ)は、数3のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Further, the imaginary time evolution operator U (Δτ), which advances the time in the imaginary time direction by Δτ, is expressed as in Equation 3.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 したがって、虚時間発展演算子U(NΔτ)は、虚時間発展演算子U(Δτ)の積として、数4のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Therefore, the imaginary time evolution operator U (NΔτ) is expressed as the product of the imaginary time evolution operator U (Δτ) as shown in Equation 4.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 各虚時間発展演算子U(Δτ)において、N_pair(N^2のオーダ量)回のゲート操作があるため、Δτのステップ数がN_stepであるとすると、一般的にトータルのゲート操作数は、数5のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Since each imaginary time evolution operator U (Δτ) has N_pair (order amount of N ^ 2) gate operations, assuming that the number of steps of Δτ is N_step, the total number of gate operations is generally the total number of gate operations. It is expressed as the number 5.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 ここで、第1の演算子L_iは通常2量子ビットに作用する演算子であるため、改めて第1の演算子L_ijと書くことにする。虚時間発展演算子Uをユニタリ化するにあたって、虚時間ステップの良いユニタリ化を実現するために、虚時間発展演算子Uに含まれるL_ijは、2以上量子ビット操作で表される(数6参照)。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Here, since the first operator L_i is an operator that normally acts on two qubits, it will be written again as the first operator L_ij. In unitizing the imaginary time evolution operator U, in order to realize a good unitization of the imaginary time step, L_ij included in the imaginary time evolution operator U is represented by two or more qubit operations (see Equation 6). ).
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 図3は、所定の量子ビット数で打ち切った場合の虚時間発展演算子U(Δτ)を実行するために必要ゲート操作数と、問題のサイズとの関係を示している。比較例Aは、4量子ビット操作での打ち切りである。比較例Bは、3量子ビット操作での打ち切りである。比較例Cは、2量子ビット操作での打ち切りである。このように、D量子ビット操作は、4^D*D(N-1)/2個のゲート操作を含むため、できるだけ多重量子ビット以上の操作を含ませたくない。一方で、計算精度を維持したユニタリ化を実現するには6量子ビット操作以上が必要であることが以下の実証例からも示される。 FIG. 3 shows the relationship between the number of gate operations required to execute the imaginary time evolution operator U (Δτ) when the number of qubits is cut off and the size of the problem. Comparative Example A is censored by a 4-qubit operation. Comparative Example B is censored by a 3-qubit operation. Comparative Example C is censored by a two-qubit operation. As described above, since the D qubit operation includes 4 ^ D * D (N-1) / 2 gate operations, we do not want to include operations more than multiple qubits as much as possible. On the other hand, the following empirical examples also show that 6 qubit operations or more are required to realize unitaryization that maintains calculation accuracy.
 発明者らは、数7に示されるように、第1の演算子L_ijに含まれる第1の添字組ijとは独立した第2の添字組kl、klm、、、を有する第2の演算子A_kl、A_klm、、、の級数和として、第1の演算子L_ijを表すことで、少数量子ビット操作で打ち切ったとしても十分な精度を保つことを新たに発見し、本実施形態では、これを採用するものとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
As shown in Equation 7, the inventors have a second operator having a second subscript set kl, klm ,,, which is independent of the first subscript set ij included in the first operator L_ij. By expressing the first operator L_ij as the series sum of A_kl, A_klm ,,,, we newly discovered that sufficient accuracy is maintained even if it is cut off by a small number of qubit operations. In this embodiment, this is newly discovered. It was decided to adopt.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 図5にて、本計算手法の有効性実証として、図4に示されるMax-cut問題に対する適用結果を示す。本計算手法、プログラム、及び本量子計算機は、量子計算機上にて実行するものであるが、ここでは古典計算機を用いた量子計算機のシミュレーションにて、前記計算手法、プログラム、本量子計算機の有効性を実証した。 FIG. 5 shows the application result to the Max-cut problem shown in FIG. 4 as a demonstration of the effectiveness of this calculation method. This calculation method, program, and this quantum computer are executed on a quantum computer. Here, in the simulation of a quantum computer using a classical computer, the effectiveness of the above calculation method, program, and this quantum computer. Demonstrated.
 図5では、虚時間発展させた場合の、従来法(比較のため)と本実施形態に係る所望の準位Eへの収束の態様を示している。図5から、新しい計算手法の有効性を実証した。従来法ではD=2で打ち切ると精度が出ていないが、D=6で打ち切ることにより十分な精度を有している事がわかる。一方で、新しい計算手法では、D=2で既にD=6(従来法)相当の精度が出ている事がわかる。その一方で、D=6(従来法)でのゲート操作数に比べて、新しいD=2でのゲート操作数は768分の一になっており、NISQ向けになっている事に注意されたい。さらに、図6で表される要素数がN=10の別のMax-cut問題へと従来法と新しい計算手法とを適用し比較を行ってみると、従来法ではD=6においてさえも、精度が出ていない一方で、新しい計算手法ではD=2で既に良い精度を出していることがわかる。(図7参照) FIG. 5 shows a mode of convergence to the desired level E according to the conventional method (for comparison) and the present embodiment when the imaginary time is developed. From FIG. 5, the effectiveness of the new calculation method was demonstrated. In the conventional method, the accuracy is not obtained when censored at D = 2, but it can be seen that the accuracy is sufficient when censored at D = 6. On the other hand, it can be seen that with the new calculation method, the accuracy equivalent to D = 6 (conventional method) has already been obtained at D = 2. On the other hand, it should be noted that the number of gate operations at the new D = 2 is 1/768 of the number of gate operations at D = 6 (conventional method), which is for NISQ. .. Furthermore, when the conventional method and the new calculation method are applied to another Max-cut problem in which the number of elements shown in FIG. 6 is N = 10, a comparison is made. In the conventional method, even at D = 6. While the accuracy is not high, it can be seen that the new calculation method has already achieved good accuracy at D = 2. (See Fig. 7)
 図8は、本実施形態に係るゲート操作を示すブロック図である。図7に示されるように、2量子ビットで打ち切った本実施形態の場合、(また、2量子ビット操作で打ち切っても十分な精度を有していることは確認している)ゲート操作数がN回(Nは量子ビット数)オーダへと大幅に小さくなる。このようにゲート操作数を削減することで、NISQへの実装可能性が高まったことに留意されたい。 FIG. 8 is a block diagram showing a gate operation according to the present embodiment. As shown in FIG. 7, in the case of the present embodiment in which the two qubits are cut off, the number of gate operations (which has been confirmed to have sufficient accuracy even if the two qubits are cut off) is large. It is significantly reduced to the order of N times (N is the number of qubits). It should be noted that by reducing the number of gate operations in this way, the possibility of implementation in NISQ has increased.
3.2 ゲート操作の束化
 本実施形態では、さらにゲート操作数を削減するために、数8に示される近似に着目する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
3.2 Bundle of gate operations In this embodiment, attention is paid to the approximation shown in Equation 8 in order to further reduce the number of gate operations.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 かかる近似は、好ましくは、Δτが十分に小さく、Δτの1次のオーダで許容しうるものである。あくまでも近似であるため、虚時間発展全体として使用することは好ましくないが、所定の誤差の範囲内であれば、例えば3回のゲート操作(第1のゲート操作)を1回分にまとめた操作(第2のゲート操作)とすることができる(数9参照)。このように第1のゲート操作を第2のゲート操作としてまとめる個数N_criticalが、前述の臨界回数Δkに相当する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Such an approximation is preferably one in which Δτ is sufficiently small and is acceptable in the first order of Δτ. Since it is only an approximation, it is not preferable to use it as an entire imaginary time evolution, but if it is within a predetermined error range, for example, three gate operations (first gate operation) are combined into one operation (one operation). It can be a second gate operation (see Equation 9). In this way, the number N_critical that combines the first gate operation as the second gate operation corresponds to the above-mentioned critical number Δk.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 したがって、このようなゲート操作の束化によれば、トータルのゲート操作数は数10のように表される。このようにゲート操作数をさらに削減することで、NISQへの実装可能性がさらに高まったことに留意されたい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
Therefore, according to such bundling of gate operations, the total number of gate operations is expressed as several tens. It should be noted that by further reducing the number of gate operations in this way, the feasibility of mounting on NISQ has further increased.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 図9は、図4で表されるMax-cut問題へと、新しい量子計算方法(D=2)で虚時間発展させた場合と、新しい量子計算方法(D=2)に加えてゲート操作の束化を行った虚時間発展をさせた場合の所望の準位Eへの収束の態様を示している。第2のゲート操作を繰り返すことで、図9に示されるように、所望の準位Eの存在確率を1に近い値に収束させることができる。これは、ゲート操作の束化を行わない場合と比較しても遜色ないことが分かる。 FIG. 9 shows the case where the Max-cut problem represented by FIG. 4 is developed in imaginary time by the new quantum calculation method (D = 2), and the gate operation in addition to the new quantum calculation method (D = 2). It shows the mode of convergence to the desired level E when the bundled imaginary time evolution is carried out. By repeating the second gate operation, as shown in FIG. 9, the existence probability of the desired level E can be converged to a value close to 1. It can be seen that this is not inferior to the case where the gate operation is not bundled.
4.量子計算方法
 本節では、量子計算機1に基づく量子計算方法について説明する。この量子計算方法は、コスト関数設定ステップと、虚時間発展ステップとを備える。コスト関数設定ステップでは、2量子ビットに作用する第1の演算子L_ijの級数和として所定のコスト関数Lを設定する。ここでコスト関数Lは、複数の準位を確率的に有する。虚時間発展ステップでは、第1の演算子L_ijに依存する虚時間発展演算子Uにより複数の準位のうち所望の準位Eの存在確率を増加させる虚時間発展を実施する。ここで、虚時間発展演算子Uがユニタリ化されるにあたり、第1の演算子L_ijは、少数量子ビット操作のみからなる第2の演算子A_kl、A_klm、、、の級数和として表される。好ましくは、虚時間発展演算子Uがユニタリ化されるにあたり、虚時間ステップΔτ単位で本来実施される第1のゲート操作を、臨界回数Δkでまとめて1つの新たな第2のゲート操作として扱う。本計算手法は、量子計算機上にて実行、又は古典計算機上にて量子計算機シミュレーションとして実行するものである。
4. Quantum calculation method This section describes the quantum calculation method based on the quantum computer 1. This quantum calculation method includes a cost function setting step and an imaginary time evolution step. In the cost function setting step, a predetermined cost function L is set as the series sum of the first operator L_ij acting on the two qubits. Here, the cost function L stochastically has a plurality of levels. In the imaginary time evolution step, the imaginary time evolution operator U, which depends on the first operator L_ij, performs imaginary time evolution that increases the existence probability of the desired level E among the plurality of levels. Here, when the imaginary time evolution operator U is unitaryized, the first operator L_ij is expressed as a series sum of the second operators A_kl, A_klm ,,, which consist only of minority qubit operations. Preferably, when the imaginary time evolution operator U is unitaryized, the first gate operation originally performed in the imaginary time step Δτ unit is treated as one new second gate operation by collecting the critical number Δk. .. This calculation method is executed on a quantum computer or as a quantum computer simulation on a classical computer.
 図10は、量子計算方法の一例を示すアクティビティ図である。以下、図10における各アクティビティに沿ってこの量子計算方法を説明する。 FIG. 10 is an activity diagram showing an example of the quantum calculation method. Hereinafter, this quantum calculation method will be described along with each activity in FIG.
(アクティビティA1)
 予め入力部7、又は通信部3によって入力された最適化問題に対して、コスト関数設定部51が、コスト関数Lを設定する。換言すると、制御部5の一例である量子プロセッサが、記憶部4に記憶されたプログラムを読み出すことで、コスト関数設定ステップを実行する。
(Activity A1)
The cost function setting unit 51 sets the cost function L for the optimization problem input in advance by the input unit 7 or the communication unit 3. In other words, the quantum processor, which is an example of the control unit 5, executes the cost function setting step by reading the program stored in the storage unit 4.
(アクティビティA2及びA3)
 初期化部52が、コスト関数Lの量子ビットを初期化する。前述の少数量子ビット操作(2量子ビット、又は3量子ビット程度の操作)で打ち切った第1の演算子L_ijが設定されている。
(Activities A2 and A3)
The initialization unit 52 initializes the qubit of the cost function L. The first operator L_ij, which is terminated by the above-mentioned minority qubit operation (operation of about 2 qubits or 3 qubits), is set.
(アクティビティA4~A6)
 アクティビティA4~A6は、虚時間発展のプロセスとして繰り返し実行される。まず、回数決定部54が複数の第1のゲート操作を誤差が許容できる範囲で第2のゲート操作として束ねられる臨界回数Δkを決定する。換言すると、制御部5の一例である量子プロセッサが、記憶部4に記憶されたプログラムを読み出すことで、臨界回数決定ステップを実行する。そして、量子ゲート53がこれらをまとめて第2のゲート操作として実行する。その後、kをΔkだけ進めて処理を繰り返す。これにより虚時間発展が進行する。換言すると、制御部5の一例である量子プロセッサが、記憶部4に記憶されたプログラムを読み出すことで、演算ステップを実行する。
(Activities A4 to A6)
Activities A4 to A6 are repeatedly executed as a process of imaginary time evolution. First, the number of times determination unit 54 determines the critical number of times Δk in which a plurality of first gate operations are bundled as a second gate operation within a range in which an error can be tolerated. In other words, the quantum processor, which is an example of the control unit 5, executes the critical number determination step by reading the program stored in the storage unit 4. Then, the quantum gate 53 collectively executes these as a second gate operation. After that, k is advanced by Δk and the process is repeated. As a result, imaginary time evolution progresses. In other words, the quantum processor, which is an example of the control unit 5, executes the calculation step by reading the program stored in the storage unit 4.
(アクティビティA7)
 虚時間発展がなされると、特定部55は、存在確率が1に収束した所望の準位Eを特定する。換言すると、制御部5の一例である量子プロセッサが、記憶部4に記憶されたプログラムを読み出すことで、特定ステップを実行する。
(Activity A7)
When the imaginary time evolution is made, the identification unit 55 identifies the desired level E whose existence probability has converged to 1. In other words, the quantum processor, which is an example of the control unit 5, executes a specific step by reading the program stored in the storage unit 4.
5.変形例
 本節では、量子計算機1の変形例について説明する。すなわち、次のような態様によって、本実施形態に係る量子計算機1をさらに創意工夫してもよい。
5. Modification example This section describes a modification example of the quantum computer 1. That is, the quantum computer 1 according to the present embodiment may be further creatively devised according to the following aspects.
(1)少数量子ビット打ち切りによる効果と、ゲート操作の束化による効果とは、独立に生じるため、何れか一方だけを実施してもよい。
(2)コンピュータに、量子計算機1における各ステップを実行させるプログラムを実施してもよい。このプログラムは、サーバからダウンロード可能な態様であってもよいし、クラウドコンピュータ上におけるプログラムの実行や配布であっても良いし、不揮発性又は揮発性の記憶媒体に記憶させて、このようなプログラムが頒布されてもよい。
(1) Since the effect of censoring a small number of qubits and the effect of bundling gate operations occur independently, only one of them may be implemented.
(2) A program that causes a computer to execute each step in the quantum computer 1 may be executed. This program may be in a form that can be downloaded from a server, may be executed or distributed on a cloud computer, or may be stored in a non-volatile or volatile storage medium, and such a program may be stored. May be distributed.
6.結言
 以上のように、本実施形態によれば、全体のゲート操作数を削減した量子計算機、量子計算方法及びプログラムを実施することができる。
6. Conclusion As described above, according to the present embodiment, it is possible to implement a quantum computer, a quantum calculation method, and a program in which the total number of gate operations is reduced.
 次に記載の各態様で提供されてもよい。
 前記量子計算機において、前記第1の演算子は、互い独立した第1の添字組を含み、前記第2の演算子は、前記第1の添字組とは独立した第2の添字組を含む、もの。
 前記量子計算機において、前記量子プロセッサは、前記記憶部に記憶されたプログラムを読み出すことで、特定ステップをさらに実行するように構成され、前記特定ステップでは、前記量子ゲートによって前記虚時間発展された前記コスト関数の、前記所望の準位を特定する、もの。
 前記量子計算機において、1つの前記量子ゲートは、前記最適化問題を解くにあたり前記コスト関数に含まれる量子ビット数のオーダのゲート数を有する、もの。
 前記量子計算機において、前記最適化問題は、古典コンピュータにおいて指数関数的に計算数が増大する問題、電子状態計算において現れる問題、又は機械学習において現れる最適化問題を含む、もの。
 虚時間発展法を用いて最適化問題を処理可能な量子計算機であって、量子プロセッサを備え、前記量子プロセッサは、前記記憶部に記憶されたプログラムを読み出すことで、次の各ステップを実行するように構成され、コスト関数設定ステップでは、2量子ビットに作用する第1の演算子の級数和として所定のコスト関数を設定し、ここで前記コスト関数は、複数の準位を確率的に有し、演算ステップでは、前記第1の演算子に依存する虚時間発展演算子を含む量子ゲートにより、前記複数の準位のうち所望の準位の存在確率を増加させる虚時間発展の演算を実行し、前記虚時間発展演算子がユニタリ化されるにあたり、虚時間ステップ単位で本来実施される第1のゲート操作を、臨界回数まとめて1つの新たな第2のゲート操作として扱って、演算を実行する、もの。
 前記量子計算機において、前記量子プロセッサは、前記記憶部に記憶されたプログラムを読み出すことで、回数決定ステップをさらに実行するように構成され、前記回数決定ステップでは、前記第1のゲート操作を実施した場合と前記第2のゲート操作を実施した場合との虚時間発展の誤差が所定範囲内になるように、前記臨界回数を決定する、もの。
 前記量子計算機において、前記回数決定ステップでは、前記第2のゲート操作ごとに前記臨界回数をそれぞれ決定する、もの。
 前記量子計算機において、前記回数決定ステップでは、前記臨界回数を1ずつ増加させる増加処理を繰り返し実行し、所定回次における前記増加処理において、系のエネルギーが上昇した場合に、前記増加処理を中断し、この所定回次又はこれより1小さい値を前記臨界回数に設定する、もの。
 虚時間発展法を用いて最適化問題を処理可能な量子計算方法であって、コスト関数設定ステップと、演算ステップとを備え、前記コスト関数設定ステップでは、2量子ビットに作用する第1の演算子の級数和として所定のコスト関数を設定し、ここで前記コスト関数は、複数の準位を確率的に有し、前記演算ステップでは、前記第1の演算子に依存する虚時間発展演算子を含む量子ゲートにより、前記複数の準位のうち所望の準位の存在確率を増加させる虚時間発展の演算を実行し、ここで、前記虚時間発展演算子がユニタリ化されるにあたり、前記第1の演算子は、少数量子ビット操作のみからなる第2の演算子の級数和として表される、方法。
 前記量子計算方法において、前記第1の演算子は、互い独立した第1の添字組を含み、前記第2の演算子は、前記第1の添字組とは独立した第2の添字組を含む、方法。
 前記量子計算方法において、特定ステップをさらに備え、前記特定ステップでは、前記量子ゲートによって前記虚時間発展された前記コスト関数の、前記所望の準位を特定する、方法。
 前記量子計算方法において、1つの前記量子ゲートは、前記最適化問題を解くにあたり前記コスト関数に含まれる量子ビット数のオーダのゲート数を有する、もの。
 前記量子計算方法において、前記最適化問題は、古典コンピュータにおいて指数関数的に計算数が増大する問題、電子状態計算において現れる問題、又は機械学習において現れる最適化問題を含む、方法。
 虚時間発展法を用いて最適化問題を処理可能な量子計算方法であって、コスト関数設定ステップと、演算ステップとを備え、前記コスト関数設定ステップでは、2量子ビットに作用する第1の演算子の級数和として所定のコスト関数を設定し、ここで前記コスト関数は、複数の準位を確率的に有し、前記演算ステップでは、前記第1の演算子に依存する虚時間発展演算子を含む量子ゲートにより、前記複数の準位のうち所望の準位の存在確率を増加させる虚時間発展を実施し、前記虚時間発展演算子がユニタリ化されるにあたり、虚時間ステップ単位で本来実施される第1のゲート操作を、臨界回数まとめて1つの新たな第2のゲート操作として扱って、演算を実行する、方法。
 前記量子計算方法において、回数決定ステップをさらに備え、前記回数決定ステップでは、前記第1のゲート操作を実施した場合と前記第2のゲート操作を実施した場合との虚時間発展の誤差が所定範囲内になるように、前記臨界回数を決定する、方法。
 前記量子計算方法において、前記回数決定ステップでは、前記第2のゲート操作ごとに前記臨界回数をそれぞれ決定する、方法。
 前記量子計算方法において、前記回数決定ステップでは、前記臨界回数を1ずつ増加させる増加処理を繰り返し実行し、所定回次における前記増加処理において、系のエネルギーが上昇した場合に、前記増加処理を中断し、この所定回次又はこれより1小さい値を前記臨界回数に設定する、方法。
 プログラムであって、コンピュータに、前記量子計算方法の各ステップを実行させる、もの。
 もちろん、この限りではない。
It may be provided in each of the following aspects.
In the quantum computer, the first operator includes a first subscript set that is independent of each other, and the second operator includes a second subscript set that is independent of the first subscript set. thing.
In the quantum computer, the quantum processor is configured to further execute a specific step by reading a program stored in the storage unit, and in the specific step, the imaginary time is developed by the quantum gate. A cost function that identifies the desired level.
In the quantum computer, one quantum gate has a number of gates on the order of the number of qubits included in the cost function in solving the optimization problem.
In the quantum computer, the optimization problem includes a problem in which the number of calculations increases exponentially in a classical computer, a problem appearing in electronic state calculation, or an optimization problem appearing in machine learning.
A quantum computer capable of processing an optimization problem using an imaginary time evolution method, the quantum processor includes a quantum processor, and the quantum processor executes each of the following steps by reading a program stored in the storage unit. In the cost function setting step, a predetermined cost function is set as the sum of the series of the first operator acting on the two qubits, where the cost function has a plurality of levels probabilistically. Then, in the calculation step, the imaginary time evolution calculation that increases the existence probability of the desired level among the plurality of levels is executed by the quantum gate including the imaginary time evolution operator that depends on the first operator. Then, when the imaginary time evolution operator is unified, the first gate operation originally performed in the imaginary time step unit is treated as one new second gate operation by collecting the critical times, and the calculation is performed. Things to do.
In the quantum computer, the quantum processor is configured to further execute the number-of-times determination step by reading a program stored in the storage unit, and in the number-of-times determination step, the first gate operation is performed. The number of critical times is determined so that the error of imaginary time evolution between the case and the case where the second gate operation is performed is within a predetermined range.
In the quantum computer, in the number-of-times determination step, the critical number of times is determined for each of the second gate operations.
In the quantum computer, in the number-of-times determination step, an increase process for increasing the critical number of times by 1 is repeatedly executed, and when the energy of the system increases in the increase process in a predetermined order, the increase process is interrupted. , The predetermined number of times or a value one less than this is set as the critical number of times.
It is a quantum calculation method capable of processing an optimization problem using an imaginary time evolution method, and includes a cost function setting step and a calculation step. In the cost function setting step, a first calculation acting on two qubits. A predetermined cost function is set as the sum of the qubits of the children, where the cost function has a plurality of levels probabilistically, and in the calculation step, an imaginary time evolution operator that depends on the first operator. The qubit gate containing the above executes an operation of imaginary time evolution that increases the existence probability of a desired level among the plurality of levels, and here, when the imaginary time evolution operator is unitized, the first A method in which one operator is represented as a sum of functions of a second operator consisting only of minority qubit operations.
In the quantum calculation method, the first operator includes a first subscript set that is independent of each other, and the second operator includes a second subscript set that is independent of the first subscript set. ,Method.
A method of the quantum calculation method further comprising a specific step, in which the desired level of the cost function developed by the quantum gate in the imaginary time is specified.
In the quantum calculation method, one quantum gate has a number of gates on the order of the number of qubits included in the cost function in solving the optimization problem.
In the quantum calculation method, the optimization problem includes a problem in which the number of calculations increases exponentially in a classical computer, a problem appearing in electronic state calculation, or an optimization problem appearing in machine learning.
It is a quantum calculation method capable of processing an optimization problem using an imaginary time evolution method, and includes a cost function setting step and a calculation step. In the cost function setting step, a first calculation acting on two qubits. A predetermined cost function is set as the sum of the qubits of the children, where the cost function has a plurality of levels probabilistically, and in the calculation step, an imaginary time evolution operator that depends on the first operator. By a qubit gate containing A method of performing an operation by treating the first gate operation to be performed as one new second gate operation collectively for the number of critical times.
The quantum calculation method further includes a number-of-times determination step, and in the number-of-times determination step, an error in imaginary time evolution between the case where the first gate operation is performed and the case where the second gate operation is performed is within a predetermined range. A method of determining the number of critical times so as to be within.
In the quantum calculation method, in the number-of-times determination step, the critical number of times is determined for each of the second gate operations.
In the quantum calculation method, in the number-of-times determination step, an increase process for increasing the critical number of times by 1 is repeatedly executed, and when the energy of the system increases in the increase process in a predetermined order, the increase process is interrupted. Then, the method of setting the critical number of times to the predetermined number of times or a value one less than this.
A program that causes a computer to perform each step of the quantum calculation method.
Of course, this is not the case.
 最後に、本発明に係る種々の実施形態を説明したが、これらは、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当該新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Finally, various embodiments according to the present invention have been described, but these are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. The novel embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. The embodiment and its modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
1    :量子計算機
2    :通信バス
3    :通信部
4    :記憶部
5    :制御部
51   :コスト関数設定部
52   :初期化部
53   :量子ゲート
531  :量子ゲート
532  :量子ゲート
533  :量子ゲート
53X  :量子ゲート
54   :回数決定部
55   :特定部
6    :表示部
7    :入力部
1: Quantum computer 2: Communication bus 3: Communication unit 4: Storage unit 5: Control unit 51: Cost function setting unit 52: Initialization unit 53: Quantum gate 531: Quantum gate 532: Quantum gate 533: Quantum gate 53X: Quantum Gate 54: Number of times determination unit 55: Specific unit 6: Display unit 7: Input unit

Claims (19)

  1. 虚時間発展法を用いて最適化問題を処理可能な量子計算機であって、
     量子プロセッサと、記憶部とを備え、
     前記量子プロセッサは、前記記憶部に記憶されたプログラムを読み出すことで、次の各ステップを実行するように構成され、
     コスト関数設定ステップでは、2量子ビットに作用する第1の演算子の級数和として所定のコスト関数を設定し、ここで前記コスト関数は、複数の準位を確率的に有し、
     演算ステップでは、前記第1の演算子に依存する虚時間発展演算子を含む量子ゲートにより、前記複数の準位のうち所望の準位の存在確率を増加させる虚時間発展の演算を実行し、ここで、前記虚時間発展演算子がユニタリ化されるにあたり、前記第1の演算子は、少数量子ビット操作のみからなる第2の演算子の級数和として表される、もの。
    A quantum computer that can handle optimization problems using the imaginary time evolution method.
    Equipped with a quantum processor and a storage unit
    The quantum processor is configured to execute each of the following steps by reading a program stored in the storage unit.
    In the cost function setting step, a predetermined cost function is set as the series sum of the first operator acting on the two qubits, where the cost function stochastically has a plurality of levels.
    In the calculation step, a qubit that includes an imaginary time evolution operator that depends on the first operator executes an imaginary time evolution operation that increases the existence probability of a desired level among the plurality of levels. Here, when the imaginary time evolution operator is unitized, the first operator is represented as the sum of the series of the second operator consisting only of minority qubit operations.
  2. 請求項1に記載の量子計算機において、
     前記第1の演算子は、互い独立した第1の添字組を含み、
     前記第2の演算子は、前記第1の添字組とは独立した第2の添字組を含む、もの。
    In the quantum computer according to claim 1,
    The first operator includes a first subscript set that is independent of each other.
    The second operator includes a second subscript set that is independent of the first subscript set.
  3. 請求項1又は請求項2に記載の量子計算機において、
     前記量子プロセッサは、前記記憶部に記憶されたプログラムを読み出すことで、特定ステップをさらに実行するように構成され、
     前記特定ステップでは、前記量子ゲートによって前記虚時間発展された前記コスト関数の、前記所望の準位を特定する、もの。
    In the quantum computer according to claim 1 or 2.
    The quantum processor is configured to further execute a specific step by reading a program stored in the storage unit.
    In the specific step, the desired level of the cost function developed by the quantum gate in the imaginary time is specified.
  4. 請求項1~請求項3の何れか1つに記載の量子計算機において、
     1つの前記量子ゲートは、前記最適化問題を解くにあたり前記コスト関数に含まれる量子ビット数のオーダのゲート数を有する、もの。
    In the quantum computer according to any one of claims 1 to 3.
    One of the quantum gates has a number of gates on the order of the number of qubits included in the cost function in solving the optimization problem.
  5. 請求項4に記載の量子計算機において、
     前記最適化問題は、古典コンピュータにおいて指数関数的に計算数が増大する問題、電子状態計算において現れる問題、又は機械学習において現れる最適化問題を含む、もの。
    In the quantum computer according to claim 4,
    The optimization problem includes a problem in which the number of calculations increases exponentially in a classical computer, a problem appearing in electronic state calculation, or an optimization problem appearing in machine learning.
  6. 虚時間発展法を用いて最適化問題を処理可能な量子計算機であって、
     量子プロセッサと、記憶部とを備え、
     前記量子プロセッサは、前記記憶部に記憶されたプログラムを読み出すことで、次の各ステップを実行するように構成され、
     コスト関数設定ステップでは、2量子ビットに作用する第1の演算子の級数和として所定のコスト関数を設定し、ここで前記コスト関数は、複数の準位を確率的に有し、
     演算ステップでは、
      前記第1の演算子に依存する虚時間発展演算子を含む量子ゲートにより、前記複数の準位のうち所望の準位の存在確率を増加させる虚時間発展の演算を実行し、
      前記虚時間発展演算子がユニタリ化されるにあたり、虚時間ステップ単位で本来実施される第1のゲート操作を、臨界回数まとめて1つの新たな第2のゲート操作として扱って、演算を実行する、もの。
    A quantum computer that can handle optimization problems using the imaginary time evolution method.
    Equipped with a quantum processor and a storage unit
    The quantum processor is configured to execute each of the following steps by reading a program stored in the storage unit.
    In the cost function setting step, a predetermined cost function is set as the series sum of the first operator acting on the two qubits, where the cost function stochastically has a plurality of levels.
    In the calculation step
    A quantum gate containing an imaginary time evolution operator that depends on the first operator executes an imaginary time evolution operation that increases the existence probability of a desired level among the plurality of levels.
    When the imaginary time evolution operator is unitaryized, the first gate operation originally performed in the imaginary time step unit is treated as one new second gate operation by collecting the critical times, and the operation is executed. ,thing.
  7. 請求項6に記載の量子計算機において、
     前記量子プロセッサは、前記記憶部に記憶されたプログラムを読み出すことで、回数決定ステップをさらに実行するように構成され、
     前記回数決定ステップでは、前記第1のゲート操作を実施した場合と前記第2のゲート操作を実施した場合との虚時間発展の誤差が所定範囲内になるように、前記臨界回数を決定する、もの。
    In the quantum computer according to claim 6,
    The quantum processor is configured to further execute the number determination step by reading the program stored in the storage unit.
    In the number-of-times determination step, the critical number of times is determined so that the error of imaginary time evolution between the case where the first gate operation is performed and the case where the second gate operation is performed is within a predetermined range. thing.
  8. 請求項7に記載の量子計算機において、
     前記回数決定ステップでは、前記第2のゲート操作ごとに前記臨界回数をそれぞれ決定する、もの。
    In the quantum computer according to claim 7,
    In the number-of-times determination step, the critical number of times is determined for each of the second gate operations.
  9. 請求項8に記載の量子計算機において、
     前記回数決定ステップでは、
      前記臨界回数を1ずつ増加させる増加処理を繰り返し実行し、
      所定回次における前記増加処理において、系のエネルギーが上昇した場合に、前記増加処理を中断し、この所定回次又はこれより1小さい値を前記臨界回数に設定する、もの。
    In the quantum computer according to claim 8,
    In the number-of-times determination step,
    The increasing process of increasing the number of critical times by 1 is repeatedly executed.
    In the increase process in the predetermined order, when the energy of the system rises, the increase process is interrupted and the predetermined order or a value one less than this is set as the critical number.
  10. 虚時間発展法を用いて最適化問題を処理可能な量子計算方法であって、
     コスト関数設定ステップと、演算ステップとを備え、
     前記コスト関数設定ステップでは、2量子ビットに作用する第1の演算子の級数和として所定のコスト関数を設定し、ここで前記コスト関数は、複数の準位を確率的に有し、
     前記演算ステップでは、前記第1の演算子に依存する虚時間発展演算子を含む量子ゲートにより、前記複数の準位のうち所望の準位の存在確率を増加させる虚時間発展の演算を実行し、ここで、前記虚時間発展演算子がユニタリ化されるにあたり、前記第1の演算子は、少数量子ビット操作のみからなる第2の演算子の級数和として表される、方法。
    It is a quantum calculation method that can process optimization problems using the imaginary time evolution method.
    It has a cost function setting step and a calculation step.
    In the cost function setting step, a predetermined cost function is set as the series sum of the first operator acting on the two qubits, where the cost function stochastically has a plurality of levels.
    In the calculation step, a qubit evolution operation that increases the existence probability of a desired level among the plurality of levels is executed by a qubit gate including an imaginary time evolution operator that depends on the first operator. Here, when the imaginary time evolution operator is unitized, the first operator is represented as the sum of the series of the second operator consisting only of minority qubit operations.
  11. 請求項10に記載の量子計算方法において、
     前記第1の演算子は、互い独立した第1の添字組を含み、
     前記第2の演算子は、前記第1の添字組とは独立した第2の添字組を含む、方法。
    In the quantum calculation method according to claim 10,
    The first operator includes a first subscript set that is independent of each other.
    The method comprising the second operator a second subscript set independent of the first subscript set.
  12. 請求項10又は請求項11に記載の量子計算方法において、
     特定ステップをさらに備え、
     前記特定ステップでは、前記量子ゲートによって前記虚時間発展された前記コスト関数の、前記所望の準位を特定する、方法。
    In the quantum calculation method according to claim 10 or 11.
    With more specific steps
    In the specific step, a method of identifying the desired level of the cost function developed by the quantum gate in the imaginary time.
  13. 請求項10~請求項12の何れか1つに記載の量子計算方法において、
     1つの前記量子ゲートは、前記最適化問題を解くにあたり前記コスト関数に含まれる量子ビット数のオーダのゲート数を有する、もの。
    In the quantum calculation method according to any one of claims 10 to 12,
    One of the quantum gates has a number of gates on the order of the number of qubits included in the cost function in solving the optimization problem.
  14. 請求項13に記載の量子計算方法において、
     前記最適化問題は、古典コンピュータにおいて指数関数的に計算数が増大する問題、電子状態計算において現れる問題、又は機械学習において現れる最適化問題を含む、方法。
    In the quantum calculation method according to claim 13,
    The optimization problem is a method including a problem in which the number of calculations increases exponentially in a classical computer, a problem appearing in electronic state calculation, or an optimization problem appearing in machine learning.
  15. 虚時間発展法を用いて最適化問題を処理可能な量子計算方法であって、
     コスト関数設定ステップと、演算ステップとを備え、
     前記コスト関数設定ステップでは、2量子ビットに作用する第1の演算子の級数和として所定のコスト関数を設定し、ここで前記コスト関数は、複数の準位を確率的に有し、
     前記演算ステップでは、
      前記第1の演算子に依存する虚時間発展演算子を含む量子ゲートにより、前記複数の準位のうち所望の準位の存在確率を増加させる虚時間発展を実施し、
      前記虚時間発展演算子がユニタリ化されるにあたり、虚時間ステップ単位で本来実施される第1のゲート操作を、臨界回数まとめて1つの新たな第2のゲート操作として扱って、演算を実行する、方法。
    It is a quantum calculation method that can process optimization problems using the imaginary time evolution method.
    It has a cost function setting step and a calculation step.
    In the cost function setting step, a predetermined cost function is set as the series sum of the first operator acting on the two qubits, where the cost function stochastically has a plurality of levels.
    In the calculation step,
    An imaginary time evolution that increases the existence probability of a desired level among the plurality of levels is performed by a quantum gate including an imaginary time evolution operator that depends on the first operator.
    When the imaginary time evolution operator is unitaryized, the first gate operation originally performed in the imaginary time step unit is treated as one new second gate operation by collecting the critical times, and the operation is executed. ,Method.
  16. 請求項15に記載の量子計算方法において、
     回数決定ステップをさらに備え、
     前記回数決定ステップでは、前記第1のゲート操作を実施した場合と前記第2のゲート操作を実施した場合との虚時間発展の誤差が所定範囲内になるように、前記臨界回数を決定する、方法。
    In the quantum calculation method according to claim 15,
    With more steps to determine the number of times
    In the number-of-times determination step, the critical number of times is determined so that the error of imaginary time evolution between the case where the first gate operation is performed and the case where the second gate operation is performed is within a predetermined range. Method.
  17. 請求項16に記載の量子計算方法において、
     前記回数決定ステップでは、前記第2のゲート操作ごとに前記臨界回数をそれぞれ決定する、方法。
    In the quantum calculation method according to claim 16,
    In the number-of-times determination step, the critical number of times is determined for each of the second gate operations.
  18. 請求項17に記載の量子計算方法において、
     前記回数決定ステップでは、
      前記臨界回数を1ずつ増加させる増加処理を繰り返し実行し、
      所定回次における前記増加処理において、系のエネルギーが上昇した場合に、前記増加処理を中断し、この所定回次又はこれより1小さい値を前記臨界回数に設定する、方法。
    In the quantum calculation method according to claim 17,
    In the number-of-times determination step,
    The increasing process of increasing the number of critical times by 1 is repeatedly executed.
    A method in which, when the energy of the system rises in the increase process in the predetermined order, the increase process is interrupted and the predetermined order or a value one less than this is set as the critical number.
  19. プログラムであって、
     コンピュータに、請求項10~請求項18の何れか1つに記載の量子計算方法の各ステップを実行させる、もの。
    It ’s a program
    A computer that causes a computer to perform each step of the quantum calculation method according to any one of claims 10 to 18.
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