量子ランダムネスの生成速度の普遍性を証明~頑強で効率的な量子情報処理の実現に向けて~

2026-01-22 東京大学

本研究は、量子回路における大規模な量子ランダムネスの生成速度が、構成要素である局所的な量子ランダムゲートの詳細な選び方に本質的に依存しないことを理論的に証明した。従来は理想的に完全な局所ランダムネスを仮定する研究が主流だったが、本成果は不完全なランダム操作であっても、生成速度は全体サイズに依存しない定数倍程度しか変化しないことを示した。格子系や任意相互作用系など、実験的に想定される幅広いモデルでこの頑強性が成立する点が特徴である。本結果により、量子ハードウェア上でのランダム回路生成や性能検証の自由度が大きく広がり、量子情報処理の効率化や、量子多体系における熱平衡化など普遍的現象の理解が進むと期待される。

量子ランダムネスの生成速度の普遍性を証明~頑強で効率的な量子情報処理の実現に向けて~
量子回路における大規模な量子ランダムネス生成の概念図。構成要素として不完全なランダムネスを用いた場合でも、完全なランダムネスを用いた場合と同程度に速く大規模なランダムネスを生成できることを示した。

<関連情報>

非ハールランダム回路はハールランダム回路と同じ速度でユニタリー設計を形成します Non-Haar Random Circuits form Unitary Designs as Fast as Haar Random Circuits

Toshihiro Yada, Ryotaro Suzuki, Yosuke Mitsuhashi, and Nobuyuki Yoshioka
Physical Review Letters  Published: 20 January, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/q172-8cmt

Abstract

The unitary design formation in random circuits has attracted considerable attention due to its wide range of practical applications and relevance to fundamental physics. While the formation rates in Haar random circuits have been extensively studied in previous works, it remains an open question how these rates are affected by the choice of local randomizers. In this Letter, we prove that the circuit depths required for general non-Haar random circuits to form unitary designs are upper bounded by those for the corresponding Haar random circuits, up to a constant factor independent of the system size. This result is derived in a broad range of circuit structures, including one- and higher-dimensional lattices, geometrically nonlocal configurations, and even extremely shallow circuits with patchwork architectures. We provide specific applications of these results in randomized benchmarking and random circuit sampling, and also discuss their implications for quantum many-body physics. Our results lays the foundation for flexible and robust randomness generation in real-world experiments, and offers new insights into chaotic dynamics in complex quantum systems.

1600情報工学一般
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