日本チームが量子計算で快挙、量子位相差推定による高精度計算技術を開発　ソフトバンク、三菱、慶應大、JSR

ソフトバンク株式会社、三菱ケミカル株式会社、慶應義塾大学、およびJSR株式会社は、慶應義塾大学内のIBM Q Network Hubにて「量子コンピューターを用いた大規模なエネルギーギャップ計算手法」の開発に成功し、その成果が米国科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載されたことを発表した。

量子位相差推定とテンソルネットワークを組み合わせた新手法「TQPDE」を開発。IBMの商用量子コンピュータ上で最大32量子ビットの大規模エネルギーギャップ計算に成功し、超伝導型量子コンピューターのエラー抑制技術を用い、従来の5倍以上の規模で実用的な量子化学計算を実証した。

なお、「IBM Q Network Hub」は、慶大と日本IBMが2018年5月に慶大理工学部に開設した最先端の量子コンピューター研究拠点。IBM が開発した最先端の量子コンピューターのクラウド利用を可能とするアジア初の「IBM Quantum Hub」であり、産学共同の研究拠点としてソフトバンクは2023年に参画した。

「テンソルに基づく位相差推定（TQPDE）」を提案

本研究では、量子位相差推定とテンソルネットワークによる量子回路圧縮技術を組み合わせた新たな手法「テンソルに基づく位相差推定（TQPDE）」を提案した。この手法は、IBMのゲート型商用量子コンピューター「IBM Quantum System One」および「IBM Quantum System Two」を用い、Q-CTRLのエラー抑制モジュールを活用して実装された。
実験では、最大32量子ビットのハバードモデルおよび20量子ビットの直鎖分子（デカペンタエン）に対してエネルギーギャップの高精度計算に成功し、従来の最大6ビットから大幅に規模を拡大した。

大規模エネルギーギャップ計算に成功

分子の物性は電子の状態計算により明らかにされるが、電子数の増加に伴い、計算コストが指数的に増加するため、従来は近似手法が主流だった。
特に電子相関が強い複雑な物質では、密度汎関数理論（DFT）などの近似では十分な精度が得られない課題があった。
量子コンピューターは量子もつれや重ね合わせの特性を活かし、これらの計算を指数的に高速化できると期待されているが、ノイズの多さや大規模回路の実行困難さが障壁となっていた。

量子回路圧縮を組み合わせた手法を提案

今回、大規模な分子のエネルギーギャップを高精度で求めるために、エネルギーギャップの計算手法のひとつである量子位相差推定とテンソルネットワークによる量子回路圧縮を組み合わせた手法を提案した。

この手法を日本IBMのゲート型商用量子コンピューター「IBM Quantum System One」および「IBM Quantum System Two」上で、Q-CTRLエラー抑制モジュールを用いて、標準的なトランスパイルの7242制御Zゲートレベルで、ハバードモデルおよび直鎖分子に対して実行。結果として従来の5倍以上である最大32量子ビット（32スピン軌道）のシステムに対するエネルギーギャップの計算に成功した。

この結果は大規模な分子の物性を高精度に解析する道を切り拓くことが期待できる、としている。
ソフトバンク、慶大、三菱ケミカルおよびJSRは、今後も量子コンピューターを用いた幅広い実応用の技術確立を進めていく考えだ。