Demonstration of subspace-search variational quantum eigensolver using photonic orbital angular momentum qudits

物質界を理解するために、科学者たちは原子が静止している状態だけでなく、それらが励起されたときにどのように振る舞うかを知る必要があることがよくあります。分子がエネルギーを吸収すると、その電子はより高いレベルへと跳ね上がり、「励起状態」と呼ばれる状態を作り出します。これらの束の間の瞬間は、ホタルの光や夕焼けの色、そして生命を動かす化学反応を生み出す源となっています。コンピュータは原子の穏やかで静止した状態におけるエネルギーを計算することには非常に長けてきましたが、これらの励起状態のエネルギーを算出することは、依然として困難な問題であり続けてきました。古典的なコンピュータは、これらの高エネルギーレベルの複雑さに苦戦し、しばしば信頼性の低い結果しか出すことができません。この限界により、研究者たちは、従来のスーパーコンピュータには解けないほど難しい問題を解くために、量子物理学の奇妙な規則を利用するマシンである量子コンピュータへと目を向けるようになりました。しかし、今日利用可能な量子コンピュータはまだ小型でエラーを起こしやすいため、これらの励起状態を見つけ出すために必要な複雑な計算を実行することは困難です。

研究チームは、光を用いてこの問題に取り組む新しい方法を実証しました。彼らは、部分空間探索型変分量子固有値ソルバー（subspace-search variational quantum eigensolver）と呼ばれる手法を用い、高次元空間における励起状態のエネルギー準位を見出すことに成功しました。状態を比較するために補助的な粒子を必要とする、壊れやすくエラーの多い従来の手法に頼る代わりに、彼らは複数の状態を同時に処理するための共有回路を使用しました。光の粒子の回転運動の中に情報をエンコードすることで、彼らは単純な分子と磁性原子の鎖のエネルギーを推定することができました。この成果は、光を用いて量子情報を運ぶことが、これまで手の届かなかった複雑な化学プロセスのシミュレーションに向けた、実用的かつ効率的な道筋を提供することを示しています。

この分野における核心的な課題は、系の最低エネルギー状態を見つけることは量子アルゴリズムにとって比較的容易ですが、その次の数個のエネルギーレベルを見つけることははるかに難しいという点にあります。従来の方法では、コンピュータが異なる状態の間で一連の繊細な比較を行う必要があり、このプロセスは系が大きくなるにつれて極めて困難になります。これを回避するために、研究者たちは部分空間探索型変分量子固有値ソルバーとして知られる手法を採用しました。このアプローチにより、コンピュータは、一連の明確で重複しない出発点を準備し、それらを同じ最適化プロセスに通すことで、複数のエネルギーレベルを同時に探索することが可能になります。今日の不完全なマシンでこれを成功させる鍵は、多くのエラーを引き起こすような深く複雑な操作シーケンスを必要とせずに、これらの明確な出発点を準備する方法を見つけ出したことでした。

チームは、量子ビットとして光子（光の粒子）を使用することを選択しました。具体的には、光の「軌道角運動量」と呼ばれる性質を利用しました。これは、光が自身の軸の周りをコルク抜きのように回転しながら進む動きと考えることができます。特殊なホログラフィックパターンを用いて光の形を整えることで、彼らは異なる「ねじれ」を作り出し、それが個別の状態として機能するようにしました。ここでの「直交（orthogonal）」とは、ラジオの異なるチャンネルのように、互いに干渉しない完全に独立した状態であることを意味します。この手法により、彼らは複数の入力状態を直接かつ効率的に準備することができ、他の量子コンピューティング・プラットフォームを悩ませる深いエラーの多いゲートシーケンスを回避することができました。

実験において、研究者たちはレーザーによって単一光子のペアを生成するシステムを構築しました。一方の光子は、もう一方が準備できていることを確認するための信号として機能し、二番目の光子は量子プロセッサへと送られました。プロセッサ内部で、チームは空間光変調器（光ビームの形状を変えることができるデバイス）に特定のホログラフィックパターンを表示させました。これらのパターンによって、光子はいくつかの特定の「ねじれた状態」のいずれかに準備されました。その後、光子はエネルギー特性を決定するための必要な測定を行う第二の変調器を通過しました。古典的なコンピュータが結果を監視し、ホログラムの設定を調整し、エネルギー値の変化が止まるまで（つまり、正しい答えが見つかったことを示すまで）このサイクルを繰り返しました。

チームはこの手法を2つの異なるシステムでテストしました。まず、ヘリウム原子と水素原子からなるHeH+と呼ばれる単純な分子をモデル化しました。彼らは、基底状態と3つの励起状態を含む、この分子の4つの異なるレベルのエネルギーを推定することに成功し、実験的な推定値と理論値との間のエネルギー偏差を算出しました。次に、彼らはこの手法をより複雑な系、すなわち相互作用する8つの磁性原子の鎖である8次元ハイゼンベルク鎖に適用しました。どちらのケースにおいても、実験結果はターゲットとなるエネルギー準位の推定値を提供し、系のサイズが増大してもこの手法が機能することを証明しました。

この実証は、追加のハードウェアや複雑なエラー訂正ステップの重いオーバーヘッドなしに、高次元量子系を探索できることを示している点で重要です。光の自然な特性を利用して情報をエンコードすることで、研究者たちは現在の世代の量子デバイスに適した、スケーラブルなアーキテクチャを作り上げました。励起状態のエネルギーを正確に予測できる能力は、化学反応や材料特性の理解を深める扉を開き、新薬の発見やより効率的な太陽電池の開発へとつながる可能性があります。この研究は、情報の処理に電気ではなく光を用いるフォトニック・システムが、化学や物理学における最も困難な問題のいくつかを解決するための、実行可能でリソース効率の高い経路であることを裏付けています。