対称性の破れを伴うノイズを量子演算から除去する新手法を提案~演算過程の対称性を手がかりに、量子シミュレーションの精度を向上~

2025-10-20 東京大学

東京大学大学院工学系研究科・総合文化研究科・素粒子物理国際研究センターの共同研究チームは、量子計算機に不可避なノイズを効率的に検出・除去する新手法「対称性チャネル検証法」を開発した。量子計算の過程を表す「量子チャネル」が持つ対称性に着目し、それを破るノイズを演算ごとに検出・補正する仕組みを構築。従来、量子状態という静的な情報にしか適用できなかった対称性ベースのノイズ除去を、初めて動的な演算過程にも拡張した。これにより、入力状態や演算ごとに異なる対称性を持つ場合でもノイズを取り除け、計算の信頼性が大幅に向上する。提案手法は既存の量子アルゴリズムに容易に組み込め、完全な誤り耐性を持たない量子計算機でも高精度な量子シミュレーションを可能にする。成果は米国物理学会誌『PRX Quantum』に掲載された。

対称性の破れを伴うノイズを量子演算から除去する新手法を提案~演算過程の対称性を手がかりに、量子シミュレーションの精度を向上~
対称性チャネル検証法のイメージ図

<関連情報>

ノイズの多い量子チャネルを浄化するための対称チャネル検証 Symmetric Channel Verification for Purifying Noisy Quantum Channels

Kento Tsubouchi, Yosuke Mitsuhashi, Ryuji Takagi, and Nobuyuki Yoshioka
PRX Quantum  Published: 15 October, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/jcd6-lft3

Abstract

Symmetry inherent in quantum states has been widely used to reduce the effect of noise in quantum error correction and a quantum error-mitigation technique known as symmetry verification. However, these symmetry-based techniques exploit symmetry in quantum states rather than quantum channels, limiting their application to cases where the entire circuit shares the same symmetry. In this work, we propose symmetric channel verification (SCV), a channel purification protocol that leverages the symmetry inherent in quantum channels. By introducing different phases to each symmetric subspace and employing a quantum phase estimation-like circuit, SCV can detect and correct symmetry-breaking noise in quantum channels. We further propose a hardware-efficient implementation of SCV at the virtual level, which requires only a single-qubit ancilla and is robust against the noise in the ancilla qubit. Our protocol is applied to various Hamiltonian simulation circuits and phase estimation circuits, resulting in a significant reduction of errors. Furthermore, in setups where only Clifford unitaries can be used for noise purification, which is relevant in the early fault-tolerant regime, we show that SCV under Pauli symmetry represents the optimal purification method.

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