周期駆動系で量子情報の非局在化を実証~学術研究のための量子コンピュータの本格利用が開始~

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2025-04-11 理化学研究所,クオンティニュアム株式会社,慶應義塾大学

理化学研究所、クオンティニュアム株式会社、慶應義塾大学の共同研究グループは、周期駆動系を模した量子回路を用いて、量子情報が非局在化した「スクランブリング状態」をイオントラップ型量子コンピュータ上で実証しました。この状態は、量子情報の復元や量子多体系計算に有用とされ、従来はランダム性を持つ量子回路での生成が一般的でしたが、今回の研究では周期駆動系でも高い忠実度での生成が可能であることが示されました。研究では、量子状態の復元成功率や忠実度の計算、量子情報の非局在化指標の評価を行い、得られた結果がスクランブリング状態に期待される特性と一致することを確認しました。さらに、この状態を用いた統計力学計算により、量子多体系の物理量の評価が行われ、特に高い状態密度を持つエネルギー領域で良好な一致が得られました。本研究は、現行のNISQ(ノイズあり中規模量子コンピュータ)時代における量子コンピュータの学術利用の一例として、今後の量子コンピュータの発展と応用に寄与することが期待されます。

<関連情報>

捕捉イオン量子コンピュータにおけるフローケ・スクランブル回路のシミュレーション Simulating Floquet scrambling circuits on trapped-ion quantum computers

Kazuhiro Seki, Yuta Kikuchi, Tomoya Hayata, and Seiji Yunoki
Physical Review Research  Published 10 April, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.7.023032

周期駆動系で量子情報の非局在化を実証~学術研究のための量子コンピュータの本格利用が開始~

Abstract

Complex quantum many-body dynamics spread initially localized quantum information across the entire system. Information scrambling refers to such a process whose simulation is one of the promising applications of quantum computing. We demonstrate the Hayden-Preskill recovery protocol and the interferometric protocol for calculating out-of-time-ordered correlators to study the scrambling property of a one-dimensional kicked-Ising model on 20-qubit trapped-ion quantum processors. The simulated quantum circuits have a geometrically local structure that exhibits the ballistic growth of entanglement, resulting in the circuit depth being linear in the number of qubits for the entire state to be scrambled. We experimentally confirm the growth of signals in the Hayden-Preskill recovery protocol and the decay of out-of-time-ordered correlators at late times. As an application of the created scrambling circuits, we also experimentally demonstrate the calculation of the microcanonical expectation values of local operators adopting the idea of thermal pure quantum states. Our experiments are made possible by extensively utilizing one of the highest-fidelity quantum processors currently available and, thus, should be considered as a benchmark for the current status of the most advanced quantum computers.

1600情報工学一般
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