ダブリン大学トリニティ・カレッジ（TCD)の研究者らは、IBMと革新的なプロジェクトで提携し、量子コンピューター上で超拡散のシミュレーションを実行することに成功した。

このプログラムでは、アイルランドの産業界およびEU全域での共同研究を計画している。その意図は、共同プロジェクトを増幅させ、新規材料の発見を早めるために、研究努力を共同で行うことである。

TCDとIBM双方の研究者は、望ましい特性を持つ革新的材料の創製を共同で探求することを目指している。遠隔ロボットラボ、クラウドベースのAIラボ、計算手法といった最先端のアプローチを活用し、必要不可欠な材料の発掘に要する時間を大幅に短縮するために協力する。これらの材料の潜在的な影響は広範囲に及ぶ可能性があり、環境の持続可能性、エネルギーの変換と貯蔵、脱炭素化、ポリマー科学の分野に影響を与える。また、研究は医薬品やその他の薬剤の合成や計算機による発見にも及ぶ可能性がある。

量子コンピューター

27個の超伝導量子ビットを含むIBMの予備的量子コンピューターを使った研究は、複雑な量子輸送計算の実行において重要な進歩を意味する。

量子コンピューティングは商業応用に近づいている。TCDとIBMダブリンの共同プロジェクトは、量子シミュレーションの重要な基本問題のひとつに取り組んでいる。この研究を率いたトリニティ量子アライアンスのディレクター、John Goold教授は、以下のように説明する：

一般的に言って、相互作用する多くの構成要素を持つ複雑な量子系のダイナミクスをシミュレートする問題は、従来のコンピューターにとって手ごわい挑戦です。この特別な装置の27量子ビットを考えてみましょう。量子力学では、このような系の状態は波動関数と呼ばれるオブジェクトによって数学的に記述されます。標準的なコンピュータでこの物体を記述するには、膨大な数の係数をメモリに保存する必要があり、その要求は量子ビットの数に比例して指数関数的に増大します。

このシミュレーションの場合、係数はおよそ1億3,400万個です。システムを300量子ビットに成長させると、そのようなシステムを記述するために、観測可能な宇宙に存在する原子よりも多くの係数が必要になり、古典的なコンピュータではシステムの状態を正確に捉えることができなくなります。つまり、量子系をシミュレートする際に壁にぶつかるのです。量子ダイナミクスをシミュレートするために量子系を使うというアイデアは、ノーベル賞を受賞したアメリカの物理学者Richard Feynmanが、『量子系は量子系を使ってシミュレートするのが最適である』と提唱したことに遡ります。その理由は簡単で、量子コンピュータが波動関数によって記述されるという事実を利用することで、状態を保存するための指数関数的な古典的リソースの必要性を回避することができるからです。

研究チームは、スピン鎖のシミュレーションに焦点を当てた。研究チームは、ハイゼンベルグ鎖と呼ばれるモデルを探求し、スピン励起が時間とともに系を横切ってどのように移動するかに興味を持った。彼らは超拡散と呼ばれる現象を発見したが、これは通常、吹雪の時の雪の高さや、布についたシミがどのように広がるかといった成長現象に関連する方程式によって支配されている。驚くべきことに、量子動力学でも同じ方程式が適用され、研究チームは量子コンピューターを用いてこれを検証することができた。これが彼らの研究の最大の成果である。

Goold教授はシミュレーションについて詳しく説明してくれた：「我々は、カーダー・パリージ・ザン方程式によって支配される超拡散が起こる領域を探索しました。吹雪の中で雪が成長するような現象を記述する方程式と同じものが、量子力学に応用できるなんて信じられないことです。私たちの主な成果は、量子コンピュータを使ってこれを検証したことです」。

プログラミングの課題と成果

IBMとトリニティの博士研究員であるNathan Keenan氏は、量子コンピューターのプログラミングの難しさに光を当てる。「チップレベルで実行される演算は不完全です。エラーが結果に影響を与える時間を短くするために、プログラムの実行時間を最小限にしたいのです」と彼は語った。

IBM Research UK & IrelandのディレクターであるJuan Bernabé-Moreno氏は、量子コンピューター技術の発展に対するIBMのコミットメントについて熱意を示し、トリニティ・カレッジ・ダブリンとの共同研究の有望な成果に喜びを表明した。

世界が量子シミュレーションの新時代を迎えようとしている今、TCDの量子物理学者たちは、テクノロジーの未来を切り開き、先導している。John Goold教授が設立し、指揮を執るトリニティ量子アライアンスによって、量子シミュレーションはさらに強化された。

IBMとTCDとのコラボレーションは、量子計算が急速に発展していることを改めて浮き彫りにし、新たな道を開くとともに、量子物理学が理論的なものだけでなく、未来の驚異的技術への実用的な道であるという信念をより強固なものにしている。

論文

• Nature journal NPJ Quantum Information: Evidence of Kardar-Parisi-Zhang scaling on a digital quantum simulator

参考文献

• Trinity College Dublin: Trinity-IBM team simulates super diffusion on a quantum computer

研究の要旨

多粒子シュレーディンガー方程式のユニタリー発展からどのように流体力学的振る舞いが現れるかを理解することは、非平衡統計力学の中心的な目標である。本研究では、スピン-1/2 XXZスピン鎖の離散時間量子ダイナミクスのデジタルシミュレーションをノイズの少ない近未来量子デバイス上に実装し、等方点における高温輸送指数を抽出した。ibmq-montreal27量子ビットデバイスに合わせたランダム回路で生成した擬似ランダム状態を用いて、関連するスピン相関関数の高温での時間的減衰をシミュレートした。その結果、デバイス上の21量子ビットチェーン上の均一なバックグラウンドでのスピン励起が出力されます。その後のデバイス上の離散時間ダイナミクスから、等方的な点でのKPZスケーリングと一致する異常な超拡散指数を抽出することができた。さらに、可積分性の破れるポテンシャルを適用した場合のスピン拡散の回復をシミュレートした。