RESEARCH

本論文では、線形移流拡散方程式を解くための新しい量子アルゴリズムを提案しています。このアルゴリズムは、近似的な確率的虚時間発展（PITE）演算子を用いており、既存の手法に比べて精度を向上させることを目的としています。我々は、提案した演算子の理論的誤差を詳細に評価し、ハミルトニアンの虚時間発展のための効率的な量子回路を構築しており、対数的なゲート複雑性を持つことを示しています。

具体的には、第一に、提案されたPITE演算子は、従来の手法に比べて誤差を抑えることができることが示されており、量子リソースの使用を最小限に抑えつつ、精度を向上させています。第二に、数値シミュレーションを通じて、1次元および2次元のシナリオにおけるアルゴリズムの有効性が実証されており、従来の手法と比較して優れた結果を得ています。

最後に、本研究は、量子計算の応用範囲を広げるだけでなく、物理学における複雑な方程式の解法に新たな道を開くものであり、今後の研究において重要な基盤となることが期待されます。

本研究では、結晶構造探索（CSP）に対する新しいアプローチとして、ファクタリゼーションマシンと量子アニーリング（FMQA）を組み合わせた手法を提案しています。近年、量子コンピュータの利用が注目されており、特にグローバル最適解を探索する能力が期待されています。CSPは、化学組成に基づいて材料中の原子の最適な配置を決定する課題であり、従来の手法では計算コストが高く、スケーラビリティに限界があります。

本研究では、FMQAを用いて、結晶構造のエネルギーを損失関数として設定し、最適な結晶構成を効率的にサンプリングする方法を探求しました。具体的には、機械学習を活用してポテンシャルを構築し、局所的なエネルギーの最小値を学習することで、メタスタブル構成のエネルギーを迅速に評価することが可能となります。実験結果は、FMQAが迅速な基底状態のサンプリングと局所的な最小値間の関係を回復する能力を持つことを示しています。

このアプローチは、材料科学における新たな可能性を開き、量子アニーリングと機械学習の統合によって、より効率的な結晶構造探索が実現できることを示唆しています。

本研究では、量子コンピュータ上の第一量子化ハミルトニアンシミュレーションにおける実時間発展演算子の近似実装に関する系統的な研究を行っています。特に、１つの補助ビットを用いた場合のリソース推定に焦点を当てています。従来の手法であるWAL(Walsh operator)法に加え、新たに提案されたLIU(Linear Interpolation Unitary)法と改良版のPPP(Piecewise Polynomial Phase)法を比較しています。
研究の結果、PPP法は高次多項式を用いることでWAL法やLIU法よりも高精度な場面で優れていることが示されました。特に、手法ごとのゲート操作数を解析的に評価することによって離散化パラメータnや精度に関する漸近的なゲートカウントと回路深さが導出されました。また、ケーススタディーによって実用的な場面で手法の選出法を提案されました。
さらに、第一量子化ハミルトニアンシミュレーションに適用する際の所要リソースを評価し、トロッター・鈴木誤差や近似誤差が考慮され、これらの誤差がゲート操作数と回路深さに与える影響についても議論されています。全体として、本研究は近未来の量子コンピュータにおけるハミルトニアンシミュレーションの実用化のための重要な知見を提供しています。

本研究では、量子コンピュータを利用した無軌道密度汎関数理論（Orbital-free DFT）に基づく材料計算手法を提案しました。無軌道密度汎関数理論において、運動エネルギー汎関数が電子密度の汎関数として解析的な表式が直接与えられた場合、与えられた一電子ハミルトニアンの最低固有状態のみを、電子密度を更新しながら繰り返し解くことで、最終的に解である電子密度と全エネルギーを取得することが可能になります。本手法では、このハミルトニアンの最低固有状態を求める部分に、耐障害量子計算機のためのアルゴリズムである、第一量子化形式における確率的虚時間発展法（PITE）を適用しました。量子位相推定（QPE）などと組み合わせることにより、高速な最低エネルギー固有値の取得と自己無撞着場（SCF）計算の部分的な加速が期待できます。

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。

本研究では、イオントラップ方式の量子コンピュータを用いて、ダイヤモンド中のNVセンターおよびウルツ鉱型アルミニウムナイトライドにおけるスピン欠陥の低エネルギー有効ハミルトニアンを解決しました。これらの材料は量子ビット（キュービット）としての利用が期待されています。特に、確率的虚時間発展法（PITE）を採用し、これによりスピン量子ビットの基底状態と励起状態を効率的に計算しました。この手法は、量子計算における新たなアプローチを提供し、量子情報処理の精度向上に寄与する可能性があります。研究の結果は、量子コンピュータの実用化に向けた重要なステップとなり、将来的にはエラー耐性のある量子コンピュータの開発に貢献することが期待されます。量子ビットの特性を活かした新しい計算手法の確立は、量子技術の進展において重要な役割を果たすでしょう。

本研究では、開始剤ラジカルの固有のeパラメータを計算する方法と、そのe値と電気陰性度、ハメット定数との関係について述べられています。さらに、DFT計算を使用して、開始剤ラジカルのe値とその電気陰性度、ハメット定数との間に良好な関係があることが示され、e値が開始剤ラジカルの極性効果を記述する適切なパラメータであることが示唆されています。これにより、ラジカル重合における開始剤ラジカルの極性効果を理解するための新たな手法が提案されています。

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。

本研究では、ラジカル重合におけるQ-eスキームの新たなアプローチが提案されました。このスキームは、モノマー対の反応性比の正確な予測を可能にし、重合体ラジカルとモノマーのQ-e値を個別に計算することができます。特に、Alfrey-Price Q-eスキームと比較して、より汎用性の高いQ-eスキームが導入されました。これにより、重合反応の理解と制御が向上し、新たなポリマー設計への展望が広がる可能性があります。

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。

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。

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。

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。

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）

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)）