動から静に変換する量子アルゴリズムを実証~IBM量子プロセッサーによる世界最大級のシミュレーション~

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2025-06-24 東京大学

東京大学とIBMの研究チームは、超伝導量子プロセッサー「IBM Heron」を用い、最大56量子ビットの量子多体系を対象に「Krylov量子対角化(KQD)法」によるシミュレーションを実証した。これは、時間発展によって構築した部分空間内で固有エネルギーを求める手法であり、従来の古典計算では困難だった大規模系に対しても、誤り耐性のない量子デバイスで高精度な計算が可能であることを示した。成果は『Nature Communications』に掲載された。

動から静に変換する量子アルゴリズムを実証~IBM量子プロセッサーによる世界最大級のシミュレーション~
量子ダイナミクスからエネルギーを計算する量子アルゴリズムのイメージ図量子状態の動的な性質を干渉させることで、固有エネルギーという静的な性質を抽出している。

<関連情報>

量子プロセッサー上での大規模多体ハミルトニアンのクリロフ対角化 Krylov diagonalization of large many-body Hamiltonians on a quantum processor

Nobuyuki Yoshioka,Mirko Amico,William Kirby,Petar Jurcevic,Arkopal Dutt,Bryce Fuller,Shelly Garion,Holger Haas,Ikko Hamamura,Alexander Ivrii,Ritajit Majumdar,Zlatko Minev,Mario Motta,Bibek Pokharel,Pedro Rivero,Kunal Sharma,Christopher J. Wood,Ali Javadi-Abhari & Antonio Mezzacapo
Nature Communications  Published:24 June 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-59716-z

Abstract

The estimation of low energies of many-body systems is a cornerstone of the computational quantum sciences. Variational quantum algorithms can be used to prepare ground states on pre-fault-tolerant quantum processors, but their lack of convergence guarantees and impractical number of cost function estimations prevent systematic scaling of experiments to large systems. Alternatives to variational approaches are needed for large-scale experiments on pre-fault-tolerant devices. Here, we use a superconducting quantum processor to compute eigenenergies of quantum many-body systems on two-dimensional lattices of up to 56 sites, using the Krylov quantum diagonalization algorithm, an analog of the well-known classical diagonalization technique. We construct subspaces of the many-body Hilbert space using Trotterized unitary evolutions executed on the quantum processor, and classically diagonalize many-body interacting Hamiltonians within those subspaces. These experiments demonstrate exponential convergence towards an estimate of the ground state energy, and show that quantum diagonalization algorithms are poised to complement their classical counterparts at the foundation of computational methods for quantum systems.

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