量子コンピュータによるシュウィンガー模型の効率的シミュレーション方法を開発―必要な計算プロセスや量子ビット規模も明らかに―

　伊藤悦子 基礎物理学研究所准教授、坂本一樹 大阪大学博士前期課程学生、森崎颯太 同博士前期課程学生、御手洗光祐 同准教授、藤井啓祐 同教授、春名純一 同特任研究員らの研究グループは、ミクロの世界の物理法則を記述するモデルを、量子コンピュータで効率よくシミュレートする方法を開発し、この計算にどのような規模の量子コンピュータが必要なのか明らかにしました。具体的には、空間が1次元のミクロ電磁気学の模型である「シュウィンガー模型」を調べました。これまでも同様の模型を量子コンピュータ上でシミュレートするための手法は様々提案されてきましたが、実際に予測を行いたい物理量に必要となる、全ての計算プロセスを明らかにしたのは本研究が初めてです。

　今回、研究グループは、シュウィンガー模型の真空が持続する確率に着目し、これを効率的に計算するアルゴリズムを開発しました。ミクロの世界では、最初に何もない真空を用意できたとしても、時間経過とともにこれが変化する（揺らいでいる）ことが知られています。これは確率的に起こるランダムな過程であり、この真空揺らぎの確率は宇宙の始まりの理解にも関連した重要な量です。本研究では、最新の量子アルゴリズムを駆使し、それらを適切に組み合わせることによって、将来に実現が期待される 100万量子ビット級の量子コンピュータを使えば、この量を計算できることを示しました。

　本研究成果は、2024年9月17日に、国際学術誌「Quantum」に掲載されました。