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RESEARCH

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Ring-opening polymerization of six-membered cyclic hybrid dimers composed of an oxoester and thioester

Mao Hirata, Tomoki Yoshimatsu, Shin-ichi Matsuoka, Susumu Kawauchi & Masato Suzuki

この研究では、3種の環状オキソエステル-チオエステルハイブリッドモノマーのアニオンおよびカチオン開環重合が検討されました。アニオン重合では、チオールと2,6-ルチジンを用いてチオエステルの選択的開裂が成功し、重合性は3 < 1 < 2の順で増加しました。ポストポリメリゼーション反応により、一部リビング重合特性が示されました。2,6-ルチジンのみでの重合はマクロ環状ポリマーを生成しました。カチオン重合は副反応が多く、チオエステルユニットはポリマーに低Tgと高い熱・光分解性を付与しました。新しいモノマーのデザインとユニークな重合挙動を発表しました。

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2024

Qubit encoding for a mixture of localized functions

局在関数の任意の線形結合を効率的に振幅エンコーディングする技術

Taichi Kosugi, Shunsuke Daimon, Hirofumi Nishi, Yu-ichiro Matsushita

本研究では、局在化した複素関数の任意の線形結合を効率的に生成するための専門的な符号化技術が提案されています。従来の量子計算技術は、指数的な古典計算コストや明示的な構築が提供されていないオラクルを必要とすることがありましたが、本研究では、実用的な量子計算ニーズに応えるために、より専門化された符号化技術が開発されています。具体的には、nloc個の離散ローレンツ関数を用いた確率的符号化技術の効率性や、データキュビットと補助キュビットを装備した符号化における計算時間複雑性などが議論されています。また、振幅増幅が符号化プロセスの向上にどのように貢献するかも検討されています。

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2024

Optimized synthesis of circuits for diagonal unitary matrices with reflection symmetry

反転対称性を持つ対角ユニタリ行列のための回路の最適化

Xinchi Huang ,Taichi Kosugi ,Hirofumi Nishi ,and Yu-ichiro Matsushita

この論文で、Quemixの黄欣馳、小杉太一、西紘史、松下雄一郎は、回路の深さとゲート数の最適化が重要な課題であるNISQ時代に向け、反転対称性を持つ特定の対角ユニタリ行列の実装に焦点を当てることで、既存の研究で提案された量子回路をさらに簡略化できることを証明し、また、エンタングルメントゲートの数を最適化するアルゴリズムも提案しています。これにより、既存の対角ユニタリ行列の合成方法と比べて、ゲート数と回路の深さをほぼ半分に削減できることが示されました。

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2024

Annealing for prediction of grand canonical crystal structures: Efficient implementation of n-body atomic interactions

アニーリングによるグランドカノニカル結晶構造の予測

Yannick Couzinie, Yusuke Nishiya, Hirofumi Nishi, Taichi Kosugi, Yu-ichiro Matsushita

本研究では、現代のIsingマシンを用いた結晶構造予測において、一般的なn体原子相互作用、特に共有結合をシミュレートするために必要な三体相互作用を考慮したアニーリング手法を提案しています。結晶構造は、単位セルを離散化し、各グリッドポイントに存在または非存在を表すバイナリ変数を配置することで表現されます。この手法により、二次制約なしバイナリ最適化(QUBO)または高次制約なしバイナリ最適化(HUBO)問題を解決し、結晶構造予測を最適化します。Lennard-Jonesクラスターの例を用いて、目標原子数を式に含める必要がないことを示し、粒子密度と構成の両方を同時に最適化することができることを主張しています。これは、アニーリングマシンでの使用において有利であり、総相互作用量を減らすことができます。

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2024

Quantum-Error-Mitigation Circuit Groups for Noisy Quantum Metrology

量子計測におけるエラー低減のための雑音効果量子回路群

Yusuke Hama, Hirofumi Nishi

本研究では、量子ノイズが存在する場合における量子エラー軽減(QEM)プロトコルを提案し、その有効性を実証しました。理論的考察のみならず、数値的な実証まで示す事により、量子エラー低減された量子フィッシャー情報量が理想的な量子計測で示されるスケーリング振る舞いに復元されることを示しました。

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2024

First-quantized adiabatic time evolution for the ground state of a many-electron system and the optimal nuclear structure

多電子系の基底状態と最適核構造の最初の量子化断熱時間発展

Yusuke Nishiya , Hirofumi Nishi , Yannick Couzini ́e , Taichi Kosugi, and Yu-ichiro Matsushita

本研究は、量子多電子系の基底状態を得るための緩和時間進化法(ATE法)についての研究です。ATE法は、初めて一次量子化に基づく量子回路を用いた方法であり、単位ary操作のみで構成されているため、他の方法よりも効率的で実用的です。また、ATE法に適した初期基底状態の準備方法を提供しており、任意の電子数に対応できます。さらに、ATEに基づく最適構造探索のための量子回路も設計しています。本研究は、国立量子科学技術研究所(QST)の量子材料・応用研究センターに所属する研究者らによって行われました。
Submitted:8 Sep 2023
Published :16 Feb 2024(Phys. Rev. A 109, 022423)

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2024

Systematic study on the dependence of the warm-start quantum approximate optimization algorithm on approximate solutions

ウォーム・スタート量子近似最適化アルゴリズムにおける初期近似解依存性に関する系統的研究

Ken N. Okada, Hirofumi Nishi, Taichi Kosugi and Yu-ichiro Matsushita

本研究では、ウォーム・スタートQAOA(WS-QAOA)に用いる初期近似解の精度が、そのパフォーマンスにどのように影響するかについて詳細な調査を行いました。数値シミュレーションによれば、WS-QAOAのパフォーマンスは初期近似解の品質に依存し、我々はこれらの特性を説明するための理論曲線を解析しました。
Submitted on 7 Sep 2022
Published: 12 January 2024(Scientific Reports volume 14, Article number: 1167 (2024))

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2024

Temperature and Size Dependence of Energy Barrier for Magnetic Flips in L10 Fept Nanoparticles: A theoretical study

磁性ナノ粒子における磁気反転のエネルギー障壁の温度とサイズ依存性: 理論的な研究

Hung Ba Tran,Yu-ichiro Matsushita

L10 FePtナノ粒子は、磁気記録やナノ磁気応用において有望な素材の一つです。磁気記録においては、熱的な効果が磁気反転のエネルギーバリアに影響を与え、その安定性に大きく関与します。本研究では、L10 FePtナノ粒子における磁気反転のエネルギーバリアを原子レベルで包括的にシミュレートし、ナノ粒子の実験的なキュリー温度のサイズ依存性を再現しました。また、表面効果による磁気交換相互作用の損失も明らかになり、L10 FePtナノ粒子の磁気反転のエネルギーバリアの温度およびサイズ依存性に関する理解が深まりました。

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2023後半

Channel Attention for Quantum Convolutional Neural Networks

量子畳み込みニューラルネットワーク用のチャネル注意機構(Channel Attention機構)

Gekko Budiutama, Shunsuke Daimon, Hirofumi Nishi, Ryui Kaneko, Tomi Ohtsuki, Yu-ichiro Matsushita

この研究は量子畳み込みニューラルネットワーク(QCNN)に対するチャネルアテンションメカニズムの提案とその効果について述べています。この研究では、提案されたシンプルなアプローチがQCNNの性能を向上させ、従来のフィードフォワード型ニューラルネットワークを使用した従来の手法を上回ることが示されています。

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2023後半

Exhaustive search for optimal molecular geometries using imaginary-time evolution on a quantum computer

量子コンピュータを用いた虚時間発展法による最適分子構造の網羅的探索

Taichi Kosugi, Hirofumi Nishi and Yu-ichiro Matsushita

本研究では、量子コンピュータを用いた分子の最適構造の網羅的な探索手法を提案しました。従来法では、分子の最適化には多大な計算コスト(指数関数的時間)がかかり、現実的な時間内に解を求めることができませんでした。そこで、本研究では、確率的な虚時間進化を用いて、電子状態と分子の幾何構造を同時に多量子ビット状態の重ね合わせとしてエンコードすることで、より効率的な幾何構造探索が可能であることを示しました。また、電子数に応じた回路の深さが多項式時間であることを示し、より効率的な構造探索が可能であることを示しました。本研究は、分子の構造最適化や、新分子の構造探索において、量子コンピュータの応用が有望であることを示す事に成功しました。
Submitted on 18 Oct 2022 (v1), last revised 3 Nov 2023 (this version, v2)

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2023後半

Optimal scheduling in probabilistic imaginary-time evolution on a quantum computer

量子コンピュータ上の確率的虚数時間進化における最適スケジューリング

Hirofumi Nishi, Koki Hamada, Yusuke Nishiya, Taichi Kosugi and Yu-ichiro Matsushita

本研究では、量子計算における基底状態の準備において、確率的虚時間発展法(PITE法)の計算コストを分析し、最適なパラメータ選択による計算効率の向上の可能性を報告しました。具体的には、虚時間ステップサイズの線形スケジューリングと指数関数スケジューリングがPITE法の計算コストに与える影響を調査しました。本研究の成果は、量子コンピュータを用いた多体ハミルトニアンの基底状態準備の分野への多大なる貢献となりました。
(2023/10/17 Phys. Rev. Research , 2023/8/4 arXiv)

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2023後半

Skyrmions in van der Waals centrosymmetric materials with Dzyaloshinskii-Moriya interactions

Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用を伴うファンデルワールス中心対称物質のスキルミオン

Hung Ba Tran and Yu-ichiro Matsushita

本研究は、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用を持つファンデルワールス中心対称物質におけるスキルミオンについて、第一原理計算とモンテカルロシミュレーションを組み合わせた詳細な調査を行ったものです。スキルミオンは、従来は非中心対称物質に現れることが知られていましたが、本研究では中心対称物質にも存在することが明らかになりました。具体的には、MX3(M: V, Cr, Mn, Fe; X: Cl, Br, I)の2次元ファンデルワールス材料において、第二近接サイト間で作用するDzyaloshinskii-Moriyaベクトルが有限な値を有することがわかりました。この結果は、高密度磁気メモリデバイスにおいて有望な応用が期待されるスキルミオンが、ありふれた元素からなる物質でも発現することを示唆しています。
(arXivのリンクは改訂前の2022年のものです。)

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2023後半

Quadratic acceleration of multi-step probabilistic algorithms for state preparation

状態準備のための多段階的確率的アルゴリズムの高速化

Hirofumi Nishi, Taichi Kosugi, Yusuke Nishiya, Yu-ichiro Matsushita

本研究では、量子状態の準備において、初期状態に含まれる望ましくない状態を減衰させるために非ユニタリ演算子が使用されます。この際、アンシラキュビットと確率的なアクションが用いられます。確率的アルゴリズムは、古典的なアルゴリズムと比較して計算プロセスを加速することはできません。そこで、本研究では、量子振幅増幅(QAA)と多段階の確率的アルゴリズムを組み合わせることで、二次加速を実現しました。この方法は、不正確さの観点から量子位相推定を上回ります。確率的虚時間進化(PITE)法によって、二次加速が確認されました。本研究の成果は、量子コンピューティングの実用化に向けた重要な一歩となることが期待されます。

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2023後半

First-quantized eigensolver for ground and excited states of electrons under a uniform magnetic field

一様磁場下の電子の基底および励起状態のための第一量子化固有値解法

Taichi Kosugi, Hirofumi Nishi and Yu-ichiro Matsushita

本研究では、一様磁場下の電子の基底状態および励起状態の第一量子化固有値ソルバーについての新しい手法を提案しました。この手法により、磁場下の材料シミュレーションを量子コンピュータ上で実行することができ、計算コストに影響を与えることなく、一般的な分子またはモデル系の最低エネルギー状態を得ることができます。また、この手法は、第一量子化形式でのリアルタイムダイナミクスの量子シミュレーションにも適用可能です。本研究により、相互作用する電子系の静的および動的な性質の解析において、量子計算の実用的な応用が拡張されることが期待されます。

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2023後半

Atomic scale localization of Kohn–Sham wavefunction at SiO2/4H–SiC interface under electric field, deviating from envelope function by effective mass approximation

電場下のSiO2/4H-SiC界面におけるコーン・シャム波動関数の原子スケールの局在化(有効質量近似による包絡線関数からの逸脱)

Yoshioka Hironori,Iwata Jun-Ichi,Matsushita Yu-ichiro

本研究では、SiO2/4H-SiC界面におけるKohn-Sham波動関数の原子スケールでの局在化について、密度汎関数理論を用いて計算を行いました。その結果、4H-SiC(0001)スラブにおける波動関数が界面に最も近い立方体サイトに局在する傾向があることがわかりました。重要なことに、有効質量近似から予想されるよりも界面から5Å未満の範囲で伝導電子が分布しているため、界面欠陥による散乱がより頻繁に起こることが予想され、実際に実験事実とも定性的に整合する結果であることがわかりました。これこそが、(0001)面のチャネル伝導度が他の面、例えば(1120)面に比べて特に低い理由であると考えられます。さらに、有効質量近似を破綻させた理論考察を深めたところ、4H-SiC結晶の[0001]方向に沿った長い構造周期性が有効質量近似の崩壊と関係していることを明らかにしました。

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2023前半

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