东京大学研究生院工学研究科助理教授 Nobuyuki Yoshioka、NTT 计算机与数据科学实验室特别研究员 Hiroki Tokunaga、研究员 Yasunari Suzuki、研究员 Suguru Endo、国立先进产业技术研究所高级研究员 Yuichiro Matsuzaki、大阪量子信息与量子生命研究中心 Hideaki Hakoshima大学该项目助理教授（全职）开发了一种方法，可以有效消除与使用量子计算机的量子多体计算算法相关的未知来源错误。
量子计算机是量子态及其的叠加干扰（注4）是执行计算的设备的总称。为了使用量子计算机精确地进行计算，必须克服许多技术障碍。其中，最重要的挑战是抑制由于与外部环境的交互或硬件缺陷而引起的错误。量子位（注5）等资源有限的设备上也可以使用，但从实用角度来看，它仍处于开发阶段。
该研究小组发现，通过并行准备多个受未知来源噪声影响的量子态并让它们干涉，可以抑制噪声对硬件的影响以及算法本身固有的错误。该研究小组创建了一个新的框架，可以最大限度地减少硬件负担并抑制计算错误。这种方法预计在配备大量量子比特且计算精度相对较低的量子计算机中非常有效。
这项研究于 2022 年 7 月 6 日（东部夏令时间）发表在美国科学杂志《物理评论信
研究背景
涉及电子和原子的微观自然现象受量子力学支配。例如，为了理解晶体管和半导体等元件和材料的工作原理，量子力学描述是必不可少的。换句话说，量子力学无处不在，存在于构成现代信息技术基础的电子设备中，例如计算机和智能手机。
如果我们能够创建一种设备，其中使用量子力学的控制范围从单个部件扩展到整个设备的操作原理，我们就可以极大地提高计算性能。这样一个看似新颖的想法是由一位美国物理学家于1982年提出的。理查德·费曼（注 6）一个代表性的例子是量子计算机，它是利用量子态的叠加及其干涉进行计算的设备的总称。理论上已经证明，如果能够完全控制量子计算机的输入和操作，就有可能加速机器学习和材料探索所需的算法。尽管这个想法在最初提出时只是一个白日梦，但最近量子技术的发展逐渐使其变得更加可行，现在引起了广泛的关注。
准确执行计算的最大障碍是抑制因与外部环境相互作用和硬件缺陷而引起的误差和噪声。量子位是最小的内存单位和运算单位量子门（注5）的执行次数由于能力有限，我们正在继续寻找有效提高准确性的方法。特别是，当无法获得噪声信息时，如何消除噪声的影响是使用有噪声的中型量子计算机（NISQ）时的一个挑战。
研究内容（具体方法等细节）
联合研究小组发现，即使量子态受到来源不明的噪声影响，通过并行准备多个量子态并让它们相互干扰，实际上也可以消除噪声。特别是，量子多体系统（注2）能量本征态的模拟存在错误可以有效抑制（图1）。
能量本征态是根据薛定谔方程（量子力学的基本方程）不随时间演化的状态。能量本征态的计算对于理解量子多体现象至关重要，包括凝聚态物理、量子化学和粒子物理。因此，它被认为是量子计算机应用中最重要的课题之一。
计算能量本征态，包括变分量子本征值求解器 (VQE)变分量子算法（注7）是计算目标波函数（注8）直接进入量子计算机。换句话说，目的是再现要在量子计算机内部计算的量子态。另一方面，研究量子多体系统最终重要的是提取量子态的属性，而不是直接实现量子态。事实上，迄今为止提出的一系列被称为量子误差抑制的方法，即抑制计算误差，同时最大限度地减少量子硬件的负载，都是基于“通过巧妙地组合低精度计算结果，可以得出高精度计算结果”的想法。
问题在于，根据您如何组合低精度计算结果，您可能会得到完全没有意义的答案。因此，重点是如何在选择数学上有效的组合的同时有效地消除错误。此次，研究团队“量子子空间展开法”（注释9）的框架，我们提出了一种“广义量子子空间扩展方法”，该方法集成了以最通用形式提出的多种量子误差抑制方法。
这种效应最明显的情况是当准备受噪声影响的多个量子态时。例如，在读出计算结果之前，使受到各种噪声影响的量子态相互干扰。通过结合这种情况下获得的计算结果，同时抑制硬件衍生噪声和算法衍生噪声，并采用量子子空间展开方法和虚蒸馏法（注10）等传统方法相比，可以执行更精确的计算。 （图2）。结果表明，VQE 的计算精度比传统方法高得多（图 3）。
社会意义/未来计划
这项研究可以说是朝着更强大地利用量子计算机迈出的重要一步，因为量子计算机的资源（例如运算数量）有限。未来的方向包括扩展到能量本征态以外的量子多体计算，例如实时演化、量子纠错（注释11）的计算的实现方法，以及开发使用该方法来研究噪声本身的性质的方法。
如果这些方法得到发展并提供量子算法的计算优势，预计将有助于提高基础科学、机器学习和材料科学等广泛领域的计算效率。
致谢
这项研究得到了以下机构的支持：
- JST PRESTO 研究“基于异构设计和控制的容错量子计算（问题编号：JPMJPR1916）”
“构建实现完全保密的量子物联网架构（问题编号：JPMJPR1919）”
“构建量子误差抑制的基本理论并提出实用方法（作业编号：JPMJPR2114）”
“使用量子并行电路构建计算平台（问题编号：JPMJPR2119）”
- NEDO 委托作品“量子计算和伊辛计算系统的综合研发（JPNP16007）”
- JST“共创空间形成支持计划（COI-NEXT）政策优先领域（量子技术领域）量子软件研究中心（JPMJPF2014）”
- ERATO“中村宏观量子机项目 (JPMJER1601)”
-文部科学省光学与量子飞跃旗舰计划（Q-LEAP）“通过智能量子设计进行量子软件研究、开发和应用（问题编号：JPMXS0120319794）”
“超导量子计算机的研发（问题编号：JPMXS0118068682）”
- 登月型研发项目“容错量子计算机理论与软件的研发（课题编号：JPMJMS2061）”
杂志名称：“物理评论信” （网络版：7 月 6 日）
论文标题：广义量子子空间展开
作者：吉冈伸之*、箱岛英明、松崎佑一郎、德永佑树、铃木康成、远藤胜*
Nobuyuki Yoshioka（东京大学工学研究生院物理工程系助理教授）
Hideaki Hakoshima（大阪大学量子信息与量子生命研究中心特聘助理教授（全职））
松崎雄一郎（米乐m6官方网站首席研究员）
Hiromi Tokunaga（NTT 计算机与数据科学实验室特别研究员）
Yasunari Suzuki（NTT 计算机与数据科学实验室研究员）
Suguru Endo（NTT 计算机与数据科学实验室研究员）