米国海軍研究所 (NRL) の科学者は、最近の論文でカスケード変分量子固有ソルバー (CVQE) アルゴリズムを発表しました。 物理的レビュー研究 記事。このアルゴリズムは、電子システムの物理的特性を調査するための強力なツールになることが期待されています。
CVQE アルゴリズムは、変分量子固有ソルバー (VQE) アルゴリズムの変形であり、パラメータ最適化プロセス中の反復ごとではなく、一連の量子回路の実行を 1 回だけ必要とするため、計算スループットが向上します。
「どちらのアルゴリズムも、系の基底状態に近い量子状態を生成します。これは、系の物理的特性の多くを決定するために使用されます」と、理論化学セクションの研究物理学者、ジョン ステンジャー博士は述べています。 「以前は数か月かかっていた計算が、今では数時間で実行できるようになりました。」
CVQE アルゴリズムは、量子コンピューターを使用して必要な確率質量関数を調べ、古典的なコンピューターを使用してエネルギー最小化を含む残りの計算を実行します。
「状態空間のサイズはシステムのサイズに応じて指数関数的に増大するため、最小エネルギーを見つけることは計算的に困難です」と先端機能材料理論セクションの研究物理学者である Steve Hellberg 博士は述べています。 「非常に小規模なシステムを除いて、世界で最も強力なスーパーコンピューターでさえ、正確な基底状態を見つけることはできません。」
この課題に対処するために、科学者は量子ビット レジスタを備えた量子コンピューターを使用します。この場合、量子ビットの状態空間も指数関数的に増加します。物理システムの状態をレジスタの状態空間で表すことにより、量子コンピューターを使用して、システムの指数関数的に大きい表現空間で状態をシミュレートできます。
データはその後、量子測定によって抽出できます。量子測定は決定論的ではないため、状態を記述する確率分布を推定するには、量子回路の実行を複数回繰り返す必要があります。これはサンプリングとして知られるプロセスです。 CVQE アルゴリズムを含む変分量子アルゴリズムは、エネルギーを最小化するように最適化された一連のパラメーターによって試行状態を識別します。
「元の VQE 手法と新しい CVQE 手法の主な違いは、後者ではサンプリングと最適化のプロセスが分離されており、サンプリングは量子コンピュータのみで実行され、パラメータは古典コンピュータのみで処理されることです。」 NRL 量子コンピューティングの取り組みを率いる理論化学セクションの責任者、D.Phil の Dan Gunlycke 氏は次のように述べています。
「新しいアプローチには他の利点もあります。解空間の形式は、量子ビット レジスタの対称性要件と一致する必要がないため、解空間を形成し、システムの対称性やその他の物理的動機による制約を実装する方がはるかに簡単になり、最終的にはより多くの制約が得られます。電子システムの特性を正確に予測します」とガンリック氏は続けました。
量子コンピューティングは量子科学の構成要素であり、重要分野に指定されています。 テクノロジー ハイディ・シュウ国防次官（研究・技術担当）による競争時代のためのUSD(R&E)技術ビジョン内の領域。
「量子力学システムの特性を理解することは、海軍と海兵隊のための新しい材料と化学の開発に不可欠です」とガンリッケ氏は述べた。 「例えば、腐食は遍在的な課題であり、国防総省に毎年数十億ドルの損害を与えています。 CVQE アルゴリズムを使用すると、腐食を引き起こす化学反応を研究し、より優れたコーティングや添加剤の開発を目指す既存の防食チームに重要な情報を提供できます。」
NRL は数十年にわたり、精度、ナビゲーション、タイミングに関する破壊的な防衛技術を生み出す可能性のある量子科学の基礎研究を行ってきました。量子センシング。量子コンピューティング。そして量子ネットワーキング。