量子計算による低エネルギー状態 シミュレーションの大幅な効率化を達成~低温物質など物理・化学の中心問題への量子コンピューターの応用に道筋~

2025-09-25 東京大学

東京大学大学院工学系研究科の研究チームは、量子コンピュータを用いた物質の低エネルギー状態シミュレーションの効率化に成功した。従来の手法では量子ビット数や計算資源が膨大で、低温物質や化学反応の基底状態解析は困難だった。本研究では、新しいアルゴリズム設計とエラー抑制技術を組み合わせ、必要な計算ステップを大幅に削減。既存手法に比べ数桁効率的に基底状態の推定が可能となった。これにより、超伝導や触媒反応といった物理・化学の核心問題を量子計算で扱える道が開かれた。成果は量子計算を実用的な物性・化学研究に応用するための大きな前進と位置づけられる。

量子計算による低エネルギー状態 シミュレーションの大幅な効率化を達成~低温物質など物理・化学の中心問題への量子コンピューターの応用に道筋~
低エネルギー状態のダイナミクスを計算する量子アルゴリズムの概念図

<関連情報

トロッター化は低エネルギー状態に対して非常に効率的である Trotterization is Substantially Efficient for Low-Energy States

Kaoru Mizuta and Tomotaka Kuwahara
Physical Review Letters  Published: 23 September, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/q87n-5xhz

Abstract

Trotterization is one of the central approaches for simulating quantum many-body dynamics on quantum computers or tensor networks. In addition to its simple implementation, recent studies have revealed that its error and cost can be reduced if the initial state is closed in the low-energy subspace. However, the improvement by the low-energy property diminishes rapidly as the Trotter order grows in the previous studies, and thus, it is mysterious whether there exists a genuine advantage of low-energy initial states. In this Letter, we resolve this problem by proving the optimal error bound and cost of Trotterization for low-energy initial states. For generic local Hamiltonians composed of positive-semidefinite terms, we show that the Trotter error is at most linear in the initial state energy Δ and polylogarithmic in the system size . As a result, the computational cost becomes substantially small for low-energy states with Δ ∈o(Ng⁢) compared to the one for arbitrary initial states, where denotes the energy per site and Ng⁢ means the whole-system energy. Our error bound and cost of Trotterization achieve the theoretically best scaling in the initial state energy Δ. In addition, they can be partially extended to weakly correlated initial states having low-energy expectation values, which are not necessarily closed in the low-energy subspace. Our results will pave the way for fast and accurate simulations of low-energy states, which are one of the central targets in condensed matter physics and quantum chemistry.

1603情報システム・データ工学
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました