古典的シャドウとランダム化解除による変分量子シミュレーションの測定最適化

古典的シャドウとランダム化解除による変分量子シミュレーションの測定最適化

中路公平1,4、遠藤卓2、松崎雄一郎1、箱島秀明3

1独立行政法人 産業技術総合研究所 デバイス技術研究部門、〒1-1 茨城県つくば市梅園1-305-8568
2NTT株式会社 NTTコンピュータ&データサイエンス研究所 〒180-8585 東京都武蔵野市
3大阪大学量子情報・量子生物学研究センター、〒1-2 大阪府豊中市待兼山560-0043
4現在の住所: カナダ、オンタリオ州トロントのトロント大学コンピューターサイエンス学部

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抽象

大規模な量子システムをシミュレートすることは、量子コンピューティングの最終目標です。 変分量子シミュレーション (VQS) は、計算負荷を古典コンピューターと量子コンピューターの両方に分散することで、近い将来のデバイスで目標を達成するためのツールを提供します。 ただし、量子システムのサイズが大きくなるにつれて、VQS の実行はますます困難になります。 最も深刻な課題の XNUMX つは、測定数の大幅な増加です。 たとえば、化学ハミルトニアンを使用した量子シミュレーションでは、測定数は量子ビット数の XNUMX 乗で増加する傾向があります。 この研究は、古典的なシャドウや非ランダム化など、最近提案されたシャドウベースの戦略によって VQS の測定数を大幅に削減することを目的としています。 以前の文献では、シャドウベースの戦略が変分量子最適化 (VQO) における測定の最適化に成功していることが示されていますが、観測量の測定における VQO と VQS の間にギャップがあるため、それらを VQS に適用する方法は不明でした。 この論文では、VQS で観測値を測定する方法を変更することでギャップを埋め、シャドウベースの戦略によって VQS での測定を最適化するアルゴリズムを提案します。 私たちの理論分析は、VQS でアルゴリズムを使用する利点を明らかにするだけでなく、数値的にのみ利点が示されている VQO でのシャドウベース戦略の使用を理論的にサポートします。 さらに、私たちの数値実験は、量子化学システムで私たちのアルゴリズムを使用することの妥当性を示しています。

大規模な量子システムをシミュレートすることは、量子コンピューティングの最終目標です。 変分量子シミュレーション (VQS) は、近い将来の量子コンピュータで量子シミュレーションを実現する有望な量子アルゴリズムです。 ただし、量子システムのサイズが大きくなるにつれて、VQS の実行はますます困難になり、最も深刻な課題の XNUMX つは、必要な測定数の大幅な増加です。 この問題に対処するために、VQS での観測値の測定方法を変更することで、古典的なシャドウや非ランダム化などの測定最適化手法を使用して、VQS での測定を最適化するアルゴリズムを提案しました。 私たちは、量子化学系を用いた数値実験を使用してアルゴリズムの妥当性を実証しました。 さらに、VQS だけでなく変分量子最適化 (VQO) においても、古典的なシャドウや非ランダム化などのシャドウベースの戦略を使用する利点を理論的に明らかにしました。 この研究は、一般的な変分量子アルゴリズムにおける測定の最適化に重要な意味を持ちます。

►BibTeXデータ

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