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特開2024-152097量子回路軽量化プログラム、情報処理装置及び量子回路軽量化方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024152097
(43)【公開日】2024-10-25
(54)【発明の名称】量子回路軽量化プログラム、情報処理装置及び量子回路軽量化方法
(51)【国際特許分類】
G06N 10/40 20220101AFI20241018BHJP
【ＦＩ】
G06N10/40
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023066045
(22)【出願日】2023-04-14
(71)【出願人】
【識別番号】000005223
【氏名又は名称】富士通株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002918
【氏名又は名称】弁理士法人扶桑国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】今村 智史
(57)【要約】
【課題】ノイズに起因するエラーによるＶＱＥの誤差を低減する。
【解決手段】処理部１２は、複数のＲｚゲートと複数のＲｚゲートのそれぞれに付随する複数のＣＮＯＴゲートとを含み、ＶＱＥに使用される第１量子回路１３ａを表す、第１量子回路情報と、角度パラメータごとのＲｚゲート数を取得し、第１量子回路情報と、Ｒｚゲート数に基づいて、第１量子回路１３ａに含まれる複数のＲｚゲートから削除対象のＲｚゲートを特定し、特定したＲｚゲートと、特定したＲｚゲートに付随するＣＮＯＴゲートとを第１量子回路１３ａから削除した第２量子回路１３ｂを表す第２量子回路情報を生成し、第２量子回路情報を出力する。
【選択図】図１
【解決手段】処理部１２は、複数のＲｚゲートと複数のＲｚゲートのそれぞれに付随する複数のＣＮＯＴゲートとを含み、ＶＱＥに使用される第１量子回路１３ａを表す、第１量子回路情報と、角度パラメータごとのＲｚゲート数を取得し、第１量子回路情報と、Ｒｚゲート数に基づいて、第１量子回路１３ａに含まれる複数のＲｚゲートから削除対象のＲｚゲートを特定し、特定したＲｚゲートと、特定したＲｚゲートに付随するＣＮＯＴゲートとを第１量子回路１３ａから削除した第２量子回路１３ｂを表す第２量子回路情報を生成し、第２量子回路情報を出力する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のＲｚゲートと前記複数のＲｚゲートのそれぞれに付随する複数のＣＮＯＴゲートとを含み、ＶＱＥに使用される第１量子回路を表す、第１量子回路情報と、角度パラメータごとのＲｚゲート数を取得し、
前記第１量子回路情報と、前記Ｒｚゲート数に基づいて、前記第１量子回路に含まれる前記複数のＲｚゲートから削除対象のＲｚゲートを特定し、
特定したＲｚゲートと、前記特定したＲｚゲートに付随するＣＮＯＴゲートとを前記第１量子回路から削除した第２量子回路を表す第２量子回路情報を生成し、
前記第２量子回路情報を出力する、
処理をコンピュータに実行させる量子回路軽量化プログラム。
前記第１量子回路情報と、前記Ｒｚゲート数に基づいて、前記第１量子回路に含まれる前記複数のＲｚゲートから削除対象のＲｚゲートを特定し、
特定したＲｚゲートと、前記特定したＲｚゲートに付随するＣＮＯＴゲートとを前記第１量子回路から削除した第２量子回路を表す第２量子回路情報を生成し、
前記第２量子回路情報を出力する、
処理をコンピュータに実行させる量子回路軽量化プログラム。
【請求項2】
量子デバイスの物理量子ビットの接続状態を表す物理量子ビット接続情報をさらに取得し、
前記物理量子ビット接続情報に基づいて、前記第１量子回路を前記接続状態に対応する第３量子回路に変換した場合に前記複数のＣＮＯＴゲートから得られるスワップゲートの数を、前記複数のＲｚゲートのそれぞれに対して算出し、
算出した前記スワップゲートの数が多いＲｚゲートを優先的に、前記削除対象のＲｚゲートとして特定する、
請求項１に記載の量子回路軽量化プログラム。
前記物理量子ビット接続情報に基づいて、前記第１量子回路を前記接続状態に対応する第３量子回路に変換した場合に前記複数のＣＮＯＴゲートから得られるスワップゲートの数を、前記複数のＲｚゲートのそれぞれに対して算出し、
算出した前記スワップゲートの数が多いＲｚゲートを優先的に、前記削除対象のＲｚゲートとして特定する、
請求項１に記載の量子回路軽量化プログラム。
【請求項3】
前記第１量子回路において、前記角度パラメータが同一のＲｚゲートに対しては、量子ビットに対して先に作用するＲｚゲートほど優先的に、前記削除対象のＲｚゲートとして特定する、請求項１に記載の量子回路軽量化プログラム。
【請求項4】
複数のＲｚゲートと前記複数のＲｚゲートのそれぞれに付随する複数のＣＮＯＴゲートとを含み、ＶＱＥに使用される第１量子回路を表す、第１量子回路情報を記憶する記憶部と、
前記第１量子回路情報と、角度パラメータごとのＲｚゲート数を取得し、前記第１量子回路情報と、前記Ｒｚゲート数に基づいて、前記第１量子回路に含まれる前記複数のＲｚゲートから削除対象のＲｚゲートを特定し、特定したＲｚゲートと、前記特定したＲｚゲートに付随するＣＮＯＴゲートとを前記第１量子回路から削除した第２量子回路を表す第２量子回路情報を生成し、前記第２量子回路情報を出力する処理部と、
を有する情報処理装置。
前記第１量子回路情報と、角度パラメータごとのＲｚゲート数を取得し、前記第１量子回路情報と、前記Ｒｚゲート数に基づいて、前記第１量子回路に含まれる前記複数のＲｚゲートから削除対象のＲｚゲートを特定し、特定したＲｚゲートと、前記特定したＲｚゲートに付随するＣＮＯＴゲートとを前記第１量子回路から削除した第２量子回路を表す第２量子回路情報を生成し、前記第２量子回路情報を出力する処理部と、
を有する情報処理装置。
【請求項5】
複数のＲｚゲートと前記複数のＲｚゲートのそれぞれに付随する複数のＣＮＯＴゲートとを含み、ＶＱＥに使用される第１量子回路を表す、第１量子回路情報と、角度パラメータごとのＲｚゲート数を取得し、
前記第１量子回路情報と、前記Ｒｚゲート数に基づいて、前記第１量子回路に含まれる前記複数のＲｚゲートから削除対象のＲｚゲートを特定し、
特定したＲｚゲートと、前記特定したＲｚゲートに付随するＣＮＯＴゲートとを前記第１量子回路から削除した第２量子回路を表す第２量子回路情報を生成し、
前記第２量子回路情報を出力する、
処理をコンピュータが実行する量子回路軽量化方法。
前記第１量子回路情報と、前記Ｒｚゲート数に基づいて、前記第１量子回路に含まれる前記複数のＲｚゲートから削除対象のＲｚゲートを特定し、
特定したＲｚゲートと、前記特定したＲｚゲートに付随するＣＮＯＴゲートとを前記第１量子回路から削除した第２量子回路を表す第２量子回路情報を生成し、
前記第２量子回路情報を出力する、
処理をコンピュータが実行する量子回路軽量化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、量子回路軽量化プログラム、情報処理装置及び量子回路軽量化方法に関する。
【背景技術】
【0002】
量子化学計算は、分子の構造や性質を電子状態から解析するために、解析対象の分子のエネルギーを算出する手法である。量子化学計算アルゴリズムの１つとして、ＶＱＥ（Variational Quantum Eigensolver）がある。ＶＱＥは、エラー訂正のない中規模の量子デバイス（NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）と呼ばれることもある）において実行可能な、変分アルゴリズムの候補の１つでもある。
【0003】
ＶＱＥでは、回転ゲートの回転角をパラメータとしてもつ量子回路を用いて、分子の電子状態を表す試行波動関数が表現される。このような量子回路または試行波動関数は、ａｎｓａｔｚとも呼ばれることもある。そして、このような量子回路を用いて分子のエネルギーの算出が行われる。このエネルギーが最小になるように古典処理によるパラメータの最適化、量子回路によるエネルギーの算出処理が繰り返される。ＶＱＥの精度と計算量は、ａｎｓａｔｚの種類に大きく依存する。高精度な計算が可能なａｎｓａｔｚとして、ＵＣＣＳＤ（Unitary Coupled Cluster Singles and Doubles） ａｎｓａｔｚがある。
【0004】
従来、パウリ項のマージ、量子リソースの再埋め込み、またはマージソートを行うことで、量子リソースの削減を行う量子回路最適化技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】国際公開第２０２０／１１８２８５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、ＮＩＳＱではノイズに起因するエラーによってＶＱＥの誤差が増大する場合がある。量子ゲートのうちＣＮＯＴゲートのエラー率は特に大きいため、ノイズによる誤差の増大幅は、量子回路にＣＮＯＴゲートが多いほど大きい。
【0007】
１つの側面では、本発明は、ノイズに起因するエラーによるＶＱＥの誤差を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
１つの実施態様では、複数のＲｚゲートと前記複数のＲｚゲートのそれぞれに付随する複数のＣＮＯＴゲートとを含み、ＶＱＥに使用される第１量子回路を表す、第１量子回路情報と、角度パラメータごとのＲｚゲート数を取得し、前記第１量子回路情報と、前記Ｒｚゲート数に基づいて、前記第１量子回路に含まれる前記複数のＲｚゲートから削除対象のＲｚゲートを特定し、特定したＲｚゲートと、前記特定したＲｚゲートに付随するＣＮＯＴゲートとを前記第１量子回路から削除した第２量子回路を表す第２量子回路情報を生成し、前記第２量子回路情報を出力する、処理をコンピュータに実行させる量子回路軽量化プログラムが提供される。
【0009】
また、１つの実施態様では、情報処理装置が提供される。
また、１つの実施態様では、量子回路軽量化方法が提供される。
また、１つの実施態様では、量子回路軽量化方法が提供される。
【発明の効果】
【0010】
１つの側面では、ノイズに起因するエラーによるＶＱＥの誤差が低減できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】第１の実施の形態の情報処理装置を説明するための図である。
【図2】第１量子回路の一例を示す図である。
【図3】ノイズなしシミュレーションとノイズありシミュレーションについての、ＣＮＯＴゲート数と誤差との関係を示す図である。
【図4】第２量子回路の一例を示す図である。
【図5】第２の実施の形態の情報処理装置のハードウェア例を示すブロック図である。
【図6】情報処理装置の機能例を示すブロック図である。
【図7】物理量子ビットの接続例とトランスパイル前後の量子回路の例を示す図である。
【図8】量子回路軽量化方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図9】Ｒｚ／ＣＮＯＴグループの特定手順の一例を示すフローチャートである。
【図10】削除対象のＲｚゲートの特定手順の一例を示すフローチャートである。
【図11】ＣＮＯＴゲートの削除リストへの追加手順の一例を示すフローチャートである。
【図12】ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍと誤差とＣＮＯＴゲート数との相関の一例を示す図である。
【図13】第２の実施の形態の量子回路軽量化方法による効果の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
【0013】
また、図２は、第１量子回路の一例を示す図である。
第１の実施の形態の情報処理装置１０は、後述の処理により量子回路の軽量化を行うことで、ノイズに起因するエラーによるＶＱＥの誤差を低減する。情報処理装置１０は、クライアント装置でもよいしサーバ装置でもよい。情報処理装置１０は、コンピュータと呼ばれてもよい。
第１の実施の形態の情報処理装置１０は、後述の処理により量子回路の軽量化を行うことで、ノイズに起因するエラーによるＶＱＥの誤差を低減する。情報処理装置１０は、クライアント装置でもよいしサーバ装置でもよい。情報処理装置１０は、コンピュータと呼ばれてもよい。
【0014】
情報処理装置１０は、記憶部１１および処理部１２を有する。記憶部１１は、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの揮発性半導体メモリでもよいし、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリなどの不揮発性ストレージでもよい。処理部１２は、たとえば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのプロセッサである。ただし、処理部１２が、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの電子回路を含んでもよい。プロセッサは、たとえば、ＲＡＭなどのメモリ（記憶部１１でもよい）に記憶されたプログラムを実行する。プロセッサの集合が、マルチプロセッサまたは単に「プロセッサ」と呼ばれてもよい。
【0015】
記憶部１１は、ＶＱＥに使用される第１量子回路１３ａを表す第１量子回路情報を記憶する。記憶部１１は、第２量子回路を表す第２量子回路情報を記憶してもよい。第２量子回路は、第１量子回路１３ａを後述の処理で軽量化したものである。記憶部１１は、後述の角度パラメータごとのＲｚゲート数を記憶してもよい。
【0016】
図１には、第１量子回路１３ａの一部が示されている。第１量子回路１３ａの全体は、図２に表されている。
図１、図２に示されている第１量子回路１３ａの例は、４つの量子ビットｑ０～q３で表される水素（Ｈ２）分子のＵＣＣＳＤ ａｎｓａｔｚである。図２では、量子ビットｑ０～q３に対する各種量子ゲートによる量子操作が、左上から右下まで四段に渡って示されている。各段の右端は、次段の左端と繋がっている。
図１、図２に示されている第１量子回路１３ａの例は、４つの量子ビットｑ０～q３で表される水素（Ｈ２）分子のＵＣＣＳＤ ａｎｓａｔｚである。図２では、量子ビットｑ０～q３に対する各種量子ゲートによる量子操作が、左上から右下まで四段に渡って示されている。各段の右端は、次段の左端と繋がっている。
【0017】
第１量子回路１３ａにおいて、“Ｕ３”は、ブロッホ球のある量子状態に対して、θ、φ、λの３つの角度パラメータに基づく回転操作を行うＵ３ゲートである。“Ｓ”は、ブロッホ球のある量子状態に対して、φ＝π／２の回転操作を行うＳゲートである。上付きのダガーが付された“Ｓ”は、ブロッホ球のある量子状態に対して、φ＝－π／２の回転操作を行うＳダガーゲートである。“Ｈ”は、ブロッホ球のある量子状態に対して、Ｚ軸とＸ軸の間の４５°の傾きの軸を回転中心として１８０°の回転操作を行うアダマールゲートである。“Ｒｚ”は、ブロッホ球のある量子状態に対して、Ｚ軸の周りにθの回転操作を行うＲｚゲートである。“＋”は、制御量子ビットが｜１＞であれば対象量子ビットの値を反転させるＣＮＯＴゲートである。ＣＮＯＴゲートは、２量子ビット間の量子もつれを生成するものである。
【0018】
図１、図２では、Ｒｚゲートの角度パラメータが、パラメータＰ０，Ｐ１，Ｐ２で表されている。図２の例では、パラメータＰ０を用いて回転操作を行うＲｚゲートは２つ、パラメータＰ１を用いて回転操作を行うＲｚゲートも２つ、パラメータＰ２を用いて回転操作を行うＲｚゲートは８つである。
【0019】
図１、図２に示されているように、ＲｚゲートにはＣＮＯＴゲート群が付随している。パラメータＰ０の２つのＲｚゲートには、それぞれ２つのＣＮＯＴゲートが付随し、パラメータＰ１の２つのＲｚゲートにも、それぞれ２つのＣＮＯＴゲートが付随している。パラメータＰ２の８つのＲｚゲートには、それぞれ６つのＣＮＯＴゲートが付随している。
【0020】
処理部１２は、第１量子回路１３ａを表す、第１量子回路情報と、角度パラメータごとのＲｚゲート数を取得する。処理部１２は、第１量子回路情報と角度パラメータごとのＲｚゲート数を、たとえば、記憶部１１から取得する。処理部１２は、情報処理装置１０の外部から入力される、第１量子回路情報または角度パラメータごとのＲｚゲート数を取得してもよい。
【0021】
角度パラメータごとのＲｚゲート数は、ユーザによって指定される入力値である。図１において角度パラメータごとのＲｚゲート数は、“ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍ”と表記されている。
【0022】
ノイズがない理想的なシミュレーション計算では、角度パラメータごとのＲｚゲートの数が多いほど角度パラメータの微調整が可能となるため、誤差は小さい。しかし、ノイズがある実際の量子デバイスでは、Ｒｚゲートの数が多い場合、ノイズにより誤差が増大する傾向がある。Ｒｚゲートの数が多い場合、Ｒｚゲートに付随するＣＮＯＴゲートの数も多くなるためである。前述のようにＣＮＯＴゲートのエラー率は特に大きいため、ノイズによる誤差の増大幅は、量子回路にＣＮＯＴゲートが多いほど大きい。
【0023】
図３は、ノイズなしシミュレーションとノイズありシミュレーションについての、ＣＮＯＴゲート数と誤差との関係を示す図である。ノイズありシミュレーションは、物理量子ビット間の接続が限定された量子デバイスに基づくノイズモデルを使用している。このような量子デバイス用の量子回路は、トランスパイル（後述の図７参照）が行われることで、トランスパイル前の量子回路（たとえば、第１量子回路１３ａ）よりＣＮＯＴゲート数が増える場合がある。このため、ノイズなしモデルよりもノイズありモデルのＣＮＯＴゲート数が多くなっている。
【0024】
図３の例では、ＬｉＨ（水素化リチウム）のａｎｓａｔｚが用いられている。用いた基底系はＳＴＯ－３Ｇである。ｄｉｓｔ＝１．０は、リチウム原子と水素原子の原子間距離が１．０Åであることを示している。なお、誤差は、Ｆｕｌｌ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ手法により得られたＬｉＨの基底エネルギーと、ＶＱＥにより得られたＬｉＨの基底エネルギーとの差である。
【0025】
図３の例では、ＵＣＣＳＤ、ＰＵＣＣＤ（Parallel Unitary Coupled Cluster Doubles）、ＳＵＣＣＤ（Symmetric Unitary Coupled Cluster Doubles）、ＣＨＣ（Compact Heuristic for Chemistry）の４種類のａｎｓａｔｚが用いられている。
【0026】
量子化学計算では、誤差を化学的精度内に収めることが好ましい。誤差を化学的精度内に収めることは、誤差を１．６ｍＨａｒｔｒｅｅより小さくすることに相当する。ノイズがないシミュレーションでは、ＣＮＯＴゲート数が他のａｎｓａｔｚよりも多いＵＣＣＳＤ ａｎｓａｔｚを用いた場合、誤差は化学的精度に収まっている。しかし、ノイズありシミュレーションでは、ＣＮＯＴゲート数が多いａｎｓａｔｚほどノイズによる誤差の増大幅が大きい。図３の例では、ノイズなしシミュレーションでは最も精度が高いＵＣＣＳＤ ａｎｓａｔｚが、他のａｎｓａｔｚよりも最も誤差が大きくなっている。
【0027】
このような誤差の増大をもたらすＣＮＯＴゲートは、前述のようにＲｚゲートの数が多くなるほど増える。
そこで、図１に示した情報処理装置１０において、処理部１２は、以下のようにＲｚゲートの数を減らすことで、Ｒｚゲートに付随するＣＮＯＴゲートの数を減らし、ノイズに起因するエラーによるＶＱＥの誤差を低減する。
そこで、図１に示した情報処理装置１０において、処理部１２は、以下のようにＲｚゲートの数を減らすことで、Ｒｚゲートに付随するＣＮＯＴゲートの数を減らし、ノイズに起因するエラーによるＶＱＥの誤差を低減する。
【0028】
処理部１２は、取得した第１量子回路情報と、ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍに基づいて、第１量子回路１３ａから削除対象のＲｚゲートを特定する。たとえば、パラメータＰ０～Ｐ２のすべてについて、ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍ＝１である場合、処理部１２は、パラメータＰ０～Ｐ２のそれぞれに対して、１つ以外のＲｚゲートを削除対象のＲｚゲートとして特定する。
【0029】
そして、処理部１２は、特定したＲｚゲートと、特定したＲＺゲートに付随するＣＮＯＴゲートとを第１量子回路１３ａから削除した第２量子回路１３ｂを表す第２量子回路情報を生成する。
【0030】
図４は、第２量子回路の一例を示す図である。なお、図１にも第２量子回路１３ｂの一部が示されている。
図１、図４の例では、図２に示した第１量子回路１３ａのパラメータＰ０～Ｐ２のそれぞれに対して、１つ以外のＲｚゲートが削除対象として特定された場合の、ＲｚゲートとＣＮＯＴゲートの削除例が示されている。
図１、図４の例では、図２に示した第１量子回路１３ａのパラメータＰ０～Ｐ２のそれぞれに対して、１つ以外のＲｚゲートが削除対象として特定された場合の、ＲｚゲートとＣＮＯＴゲートの削除例が示されている。
【0031】
ある角度パラメータのＲｚゲートが複数ある場合、処理部１２は、たとえば、第１量子回路１３ａにおいて、量子ビットｑ０～ｑ３に対してより先に作用するＲｚゲートほど優先的に削除対象とする。より後に作用するＲｚゲートほど計算結果に対しての重要度が高いと考えられるためである。ただし、処理部１２は、別のルールにしたがって、優先的に削除対象とするＲｚゲートを特定してもよい。
【0032】
図１、図４に示すように、上記の方法で軽量化された第２量子回路１３ｂは、パラメータＰ０～Ｐ２のそれぞれに対して、１つのＲｚゲートをもつ。ＣＮＯＴゲートの数は、第１量子回路１３ａでは５６個であるのに対して、第２量子回路１３ｂでは１０個である。
【0033】
その後、処理部１２は、第２量子回路１３ｂを表す第２量子回路情報を出力する。処理部１２は、第２量子回路情報を不揮発性ストレージに保存してもよいし、表示装置に表示してもよいし、他の情報処理装置に送信してもよい。
【0034】
以上のように、情報処理装置１０の処理部１２は、複数のＲｚゲートと複数のＲｚゲートのそれぞれに付随する複数のＣＮＯＴゲートとを含み、ＶＱＥに使用される第１量子回路１３ａを表す、第１量子回路情報を取得する。また、処理部１２は、角度パラメータごとのＲｚゲート数を取得する。さらに処理部１２は、第１量子回路情報と、上記Ｒｚゲート数に基づいて、第１量子回路１３ａから削除対象のＲｚゲートを特定する。そして処理部１２は、特定したＲｚゲートと、特定したＲｚゲートに付随するＣＮＯＴゲートとを第１量子回路１３ａから削除した第２量子回路１３ｂを表す第２量子回路情報を生成し、第２量子回路情報を出力する。
【0035】
このような処理によりＣＮＯＴゲートの数を減らした第２量子回路が得られるため、第２量子回路をＮＩＳＱなどの実際の量子デバイスに実装してＶＱＥを実行したときに、ノイズに起因するエラーによる誤差が低減できる。これにより、精度のよい量子化学計算が可能になり、創薬や新材料開発などに貢献できる。
【0036】
【0037】
情報処理装置２０は、クライアント装置でもよいしサーバ装置でもよい。情報処理装置２０は、コンピュータと呼ばれてもよい。
情報処理装置２０は、バスに接続されたＣＰＵ２１、ＲＡＭ２２、ＨＤＤ２３、ＧＰＵ２４、入力インタフェース２５、媒体リーダ２６及び通信インタフェース２７を有する。ＣＰＵ２１は、第１の実施の形態の処理部１２に対応する。ＲＡＭ２２またはＨＤＤ２３は、第１の実施の形態の記憶部１１に対応する。
情報処理装置２０は、バスに接続されたＣＰＵ２１、ＲＡＭ２２、ＨＤＤ２３、ＧＰＵ２４、入力インタフェース２５、媒体リーダ２６及び通信インタフェース２７を有する。ＣＰＵ２１は、第１の実施の形態の処理部１２に対応する。ＲＡＭ２２またはＨＤＤ２３は、第１の実施の形態の記憶部１１に対応する。
【0038】
ＣＰＵ２１は、プログラムの命令を実行するプロセッサである。ＣＰＵ２１は、ＨＤＤ２３に記憶されたプログラム及びデータをＲＡＭ２２にロードし、プログラムを実行する。情報処理装置２０は、複数のプロセッサを有してもよい。
【0039】
ＲＡＭ２２は、ＣＰＵ２１で実行されるプログラム及びＣＰＵ２１で演算に使用されるデータを一時的に記憶する揮発性半導体メモリである。情報処理装置２０は、ＲＡＭ以外の種類の揮発性メモリを有してもよい。
【0040】
ＨＤＤ２３は、オペレーティングシステム（ＯＳ：Operating System）やミドルウェアやアプリケーションソフトウェアなどのソフトウェアのプログラムと、データとを記憶する不揮発性ストレージである。情報処理装置２０は、フラッシュメモリやＳＳＤ（Solid State Drive）などの他の種類の不揮発性ストレージを有してもよい。
【0041】
ＧＰＵ２４は、ＣＰＵ２１と連携して画像処理を行い、情報処理装置２０に接続された表示装置２４ａに画像を出力する。表示装置２４ａは、たとえば、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）ディスプレイ、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイまたはプロジェクタである。情報処理装置２０に、プリンタなどの他の種類の出力デバイスが接続されてもよい。
【0042】
また、ＧＰＵ２４は、ＧＰＧＰＵ（General Purpose Computing on Graphics Processing Unit）として使用されてもよい。ＧＰＵ２４は、ＣＰＵ２１からの指示に応じてプログラムを実行し得る。情報処理装置２０は、ＲＡＭ２２以外の揮発性半導体メモリをＧＰＵメモリとして有してもよい。
【0043】
入力インタフェース２５は、情報処理装置２０に接続された入力デバイス２５ａから入力信号を受け付ける。入力デバイス２５ａは、たとえば、マウス、タッチパネルまたはキーボードである。情報処理装置２０に複数の入力デバイスが接続されてもよい。
【0044】
媒体リーダ２６は、記録媒体２６ａに記録されたプログラム及びデータを読み取る読み取り装置である。記録媒体２６ａは、たとえば、磁気ディスク、光ディスクまたは半導体メモリである。磁気ディスクには、フレキシブルディスク（ＦＤ：Flexible Disk）及びＨＤＤが含まれる。光ディスクには、ＣＤ（Compact Disc）及びＤＶＤ（Digital Versatile Disc）が含まれる。媒体リーダ２６は、記録媒体２６ａから読み取られたプログラム及びデータを、ＲＡＭ２２やＨＤＤ２３などの他の記録媒体にコピーする。読み取られたプログラムは、ＣＰＵ２１によって実行されることがある。
【0045】
記録媒体２６ａは、可搬型記録媒体であってもよい。記録媒体２６ａは、プログラム及びデータの配布に用いられることがある。また、記録媒体２６ａ及びＨＤＤ２３が、コンピュータ読み取り可能な記録媒体と呼ばれてもよい。
【0046】
通信インタフェース２７は、ネットワーク２７ａを介して他の情報処理装置と通信する。通信インタフェース２７は、スイッチやルータなどの有線通信装置に接続される有線通信インタフェースでもよいし、基地局やアクセスポイントなどの無線通信装置に接続される無線通信インタフェースでもよい。
【0047】
次に、情報処理装置２０の機能について説明する。
図６は、情報処理装置の機能例を示すブロック図である。
情報処理装置２０は、入力部３１、第１量子回路情報記憶部３２、削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３、グループリスト記憶部３４、スワップ数リスト記憶部３５、Ｒｚ保持リスト記憶部３６、Ｒｚ削除リスト記憶部３７、削除リスト記憶部３８を有する。さらに、情報処理装置２０は、Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート削除部３９、第２量子回路情報記憶部４０、出力部４１を有する。
図６は、情報処理装置の機能例を示すブロック図である。
情報処理装置２０は、入力部３１、第１量子回路情報記憶部３２、削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３、グループリスト記憶部３４、スワップ数リスト記憶部３５、Ｒｚ保持リスト記憶部３６、Ｒｚ削除リスト記憶部３７、削除リスト記憶部３８を有する。さらに、情報処理装置２０は、Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート削除部３９、第２量子回路情報記憶部４０、出力部４１を有する。
【0048】
上記各記憶部は、たとえば、ＲＡＭ２２またはＨＤＤ２３を用いて実装される。入力部３１、削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３、Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート削除部３９、出力部４１は、たとえば、ＣＰＵ２１及びプログラムを用いて実装される。
【0049】
入力部３１には、軽量化対象の第１量子回路を表す第１量子回路情報と、前述のｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍなどの入力データが入力される。第１量子回路は、図１、図２に示したように、複数のＲｚゲートと複数のＲｚゲートのそれぞれに付随する複数のＣＮＯＴゲートとを含み、ＶＱＥに使用されるものである。入力部３１はさらに、後述する物理量子ビット接続情報が入力データとして入力されてもよい。第１量子回路情報、ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍまたは物理量子ビット接続情報は、たとえば、記録媒体２６ａまたはネットワーク２７ａを介して入力される。ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍや物理量子ビット接続情報は、ユーザの入力デバイス２５ａによる操作により入力されてもよい。なお、情報処理装置１０が第１量子回路情報を生成してもよい。
【0050】
第１量子回路情報記憶部３２は、第１量子回路情報を記憶する。
削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、第１量子回路から削除する削除対象のＲｚゲートとＣＮＯＴゲートを特定する。
削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、第１量子回路から削除する削除対象のＲｚゲートとＣＮＯＴゲートを特定する。
【0051】
グループリスト記憶部３４は、第１量子回路に含まれる各Ｒｚゲートとそれに付随するＣＮＯＴゲート群によるグループのリスト（以下、グループリストという）を記憶する。グループリストは、たとえば、｛Ｒｚ－ＩＤ：［ＣＮＯＴ－ＩＤ，…］，…｝のように表せる。Ｒｚ－ＩＤは、ＲｚゲートのＩＤであり、ＣＮＯＴ－ＩＤは、そのＲｚゲートに付随する複数のＣＮＯＴゲートのＩＤである。これらのＩＤは、第１量子回路情報から得られる。
【0052】
スワップ数リスト記憶部３５は、物理量子ビット接続情報と、第１量子回路情報から得られる各Ｒｚゲートに付随するスワップゲートの数のリスト（以下、スワップ数リストという）を記憶する。スワップ数リストは、たとえば、｛Ｒｚ－ＩＤ：スワップゲート数，…｝のように表せる。スワップゲートについては後述する。
【0053】
Ｒｚ保持リスト記憶部３６は、角度パラメータごとに決定したＲｚゲートの保持数のリスト（以下、Ｒｚ保持リストという）を記憶する。Ｒｚ保持リストは、｛パラメータＩＤ：カウンタ値，…｝のように表せる。パラメータＩＤは、角度パラメータのＩＤである。カウンタ値は、Ｒｚゲートの保持数をカウントするカウンタの値である。
【0054】
Ｒｚ削除リスト記憶部３７は、削除対象のＲｚゲートのリスト（以下、Ｒｚ削除リストという）を記憶する。Ｒｚ削除リストは、削除対象としたＲｚゲートのＩＤにより表せる。
【0055】
削除リスト記憶部３８は、削除対象のＲｚゲートとＣＮＯＴゲートのリスト（以下、削除リストという）を記憶する。削除リストは、削除対象としたＲｚゲートとＣＮＯＴゲートのＩＤにより表せる。
【0056】
Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート削除部３９は、削除リストにしたがって、ＲｚゲートとＣＮＯＴゲートを第１量子回路から削除した第２量子回路を表す第２量子回路情報を生成する。
第２量子回路情報記憶部４０は、生成された第２量子回路情報を記憶する。
第２量子回路情報記憶部４０は、生成された第２量子回路情報を記憶する。
【0057】
出力部４１は、第２量子回路情報を出力する。出力部４１は、たとえば、第２量子回路情報を、表示装置２４ａに出力して表示させてもよい。出力部４１は、第２量子回路情報を、ネットワーク２７ａを介して、他の情報処理装置に送信してもよい。
【0058】
図７は、物理量子ビットの接続例とトランスパイル前後の量子回路の例を示す図である。
図７の例では、４量子ビットの量子デバイス（４量子ビットデバイス）の物理量子ビットの接続例が示されている。量子ビットｑ０は量子ビットｑ１と接続され、量子ビットｑ１はさらに量子ビットｑ２に接続されている。量子ビットｑ２は、さらに量子ビットｑ３に接続されている。つまり、最近接の量子ビット間で、直接的な結合が働き、量子的な接続が行われている。
図７の例では、４量子ビットの量子デバイス（４量子ビットデバイス）の物理量子ビットの接続例が示されている。量子ビットｑ０は量子ビットｑ１と接続され、量子ビットｑ１はさらに量子ビットｑ２に接続されている。量子ビットｑ２は、さらに量子ビットｑ３に接続されている。つまり、最近接の量子ビット間で、直接的な結合が働き、量子的な接続が行われている。
【0059】
また、図７には、ＲｚゲートとＣＮＯＴゲートを含む、トランスパイル前の４量子ビットの量子回路５０の例が示されている。左側のＲｚゲートに付随する２つのＣＮＯＴゲートは、量子ビットｑ０，ｑ１間の量子もつれを生成するものである。上記のような接続例の量子デバイスは、量子ビットｑ０，ｑ１が量子的に接続されているので、量子ビットｑ０，ｑ１間の量子もつれを生成するＣＮＯＴゲートを実装できる。
【0060】
しかし、量子回路５０において、右側のＲｚゲートに付随する２つのＣＮＯＴゲートは、量子ビットｑ０，ｑ３間の量子もつれを生成するものである。上記のような接続例の量子デバイスは、量子ビットｑ０，ｑ３が量子的に接続されていないので、このままでは、量子ビットｑ０，ｑ３間の量子もつれを生成するＣＮＯＴゲートを実装できない。そこで、量子回路５０は、上記のような物理量子ビットの接続状態に対応する量子回路に変換（トランスパイルと呼ばれる）される。
【0061】
変換後の、量子回路５１において、右側のＲｚゲートには、量子ビットｑ０，ｑ１間の量子もつれを生成する２つのＣＮＯＴゲートが付随している。さらに、右側のＲｚゲートには、量子ビットｑ２，ｑ３間の量子状態を入れ替えるスワップゲート５１ａ，５１ｂと、量子ビットｑ１，ｑ２間の量子状態を入れ替えるスワップゲート５１ｃ，５１ｄが付随している。スワップゲート５１ａ～５１ｄのそれぞれは、３つのＣＮＯＴゲートによって構成される。
【0062】
図７に示すような量子回路５０において、左側のＲｚゲートを削除する場合、そのＲｚゲートに付随する２つのＣＮＯＴゲートを削除できる。一方、右側のＲｚゲートを削除する場合、量子回路５０では、そのＲｚゲートに付随する２つのＣＮＯＴゲートを削除できる。しかし、変換後の量子回路５１で考えた場合、右側のＲｚゲートを削除した場合、２＋３×４＝１４個のＣＮＯＴゲートを削除できることになる。
【0063】
このため、情報処理装置２０は、上記のような量子デバイスの物理量子ビットの接続状態を表す物理量子ビット接続情報に基づいて、トランスパイル後に付随するスワップゲート数が多くなるＲｚゲートを優先的に、削除対象として特定してもよい。
【0064】
次に、情報処理装置２０による量子回路軽量化方法の処理手順を説明する。
図８は、量子回路軽量化方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。
（ステップＳ１０）量子回路の軽量化処理が開始すると、情報処理装置２０の削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、入力データ（第１量子回路情報、ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍ）を取得する。物理量子ビット接続情報が入力された場合には、削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、その物理量子ビット接続情報も入力データとして取得する。
図８は、量子回路軽量化方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。
（ステップＳ１０）量子回路の軽量化処理が開始すると、情報処理装置２０の削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、入力データ（第１量子回路情報、ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍ）を取得する。物理量子ビット接続情報が入力された場合には、削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、その物理量子ビット接続情報も入力データとして取得する。
【0065】
（ステップＳ１１）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、削除リスト記憶部３８に記憶されている削除リストを空に初期化する。
（ステップＳ１２）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、Ｒｚゲートとそれに付随するＣＮＯＴゲート群によるグループを特定し、グループリストに記録する。物理量子ビット接続情報がある場合、削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、各グループのスワップゲート数を、スワップ数リストに記録する。ステップＳ１２の処理の具体例については後述する。
（ステップＳ１２）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、Ｒｚゲートとそれに付随するＣＮＯＴゲート群によるグループを特定し、グループリストに記録する。物理量子ビット接続情報がある場合、削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、各グループのスワップゲート数を、スワップ数リストに記録する。ステップＳ１２の処理の具体例については後述する。
【0066】
（ステップＳ１３）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、削除対象のＲｚゲートを特定し、削除リストに追加する。ステップＳ１３の処理の具体例については後述する。
【0067】
（ステップＳ１４）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、削除対象のＲｚゲートと同グループのＣＮＯＴゲートを、削除リストに追加する。ステップＳ１４の処理の具体例については後述する。
【0068】
（ステップＳ１５）Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート削除部３９は、削除リスト内のＲｚゲートとＣＮＯＴゲートを、第１量子回路から削除する。
（ステップＳ１６）出力部４１は、第１量子回路からＲｚゲートとＣＮＯＴゲートを削除することで得られた第２量子回路を表す第２量子回路情報を出力する。これにより、情報処理装置２０の処理が終了する。
（ステップＳ１６）出力部４１は、第１量子回路からＲｚゲートとＣＮＯＴゲートを削除することで得られた第２量子回路を表す第２量子回路情報を出力する。これにより、情報処理装置２０の処理が終了する。
【0069】
図９は、Ｒｚ／ＣＮＯＴグループの特定手順の一例を示すフローチャートである。図９には、図８に示したステップＳ１２の処理手順の一例が示されている。
（ステップＳ２０）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、グループリストとスワップ数リストを空に初期化する。
（ステップＳ２０）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、グループリストとスワップ数リストを空に初期化する。
【0070】
（ステップＳ２１）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、Ｒｚ－ＩＤリストとＣＮＯＴ－ＩＤリストを取得する。Ｒｚ－ＩＤリストは、第１量子回路に含まれるＲｚゲートのＩＤ（Ｒｚ－ＩＤ）のリストである。ＣＮＯＴ－ＩＤリストは、第１量子回路に含まれるＣＮＯＴゲートのＩＤ（ＣＮＯＴ－ＩＤ）のリストである。Ｒｚ－ＩＤリストとＣＮＯＴ－ＩＤリストは、第１量子回路情報に含まれる。
【0071】
（ステップＳ２２）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、Ｒｚ－ＩＤリストが空であるか否かを判定する。削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、Ｒｚ－ＩＤリストが空ではないと判定した場合、ステップＳ２３の処理を行い、Ｒｚ－ＩＤリストが空であると判定した場合、ステップＳ２７の処理を行う。
【0072】
（ステップＳ２３）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、Ｒｚ－ＩＤリストの先頭のＩＤ（Ｒｚ－ＩＤ）を取り出す。
（ステップＳ２４）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、第１量子回路情報に基づいて、取り出したＲｚ－ＩＤのＲｚゲートに隣接する、ＣＮＯＴゲートまたはＣＮＯＴゲート群のＩＤ（ＣＮＯＴ－ＩＤ）を、ＣＮＯＴ－ＩＤリストから取り出す。そして、削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、取り出したＲｚ－ＩＤと、ＣＮＯＴ－ＩＤを、１つのグループに属するＩＤ群としてグループリストに追加する。
（ステップＳ２４）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、第１量子回路情報に基づいて、取り出したＲｚ－ＩＤのＲｚゲートに隣接する、ＣＮＯＴゲートまたはＣＮＯＴゲート群のＩＤ（ＣＮＯＴ－ＩＤ）を、ＣＮＯＴ－ＩＤリストから取り出す。そして、削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、取り出したＲｚ－ＩＤと、ＣＮＯＴ－ＩＤを、１つのグループに属するＩＤ群としてグループリストに追加する。
【0073】
（ステップＳ２５）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、物理量子ビット接続情報があるか否かを判定する。削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、物理量子ビット接続情報があると判定した場合、ステップＳ２６の処理を行い、物理量子ビット接続情報がないと判定した場合、ステップＳ２２の処理に戻る。
【0074】
（ステップＳ２６）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、ステップＳ２３の処理で取り出されたＲｚ－ＩＤとスワップゲート数をスワップリストに記録する。スワップゲート数は、物理量子ビット接続情報と、ステップＳ２４の処理でグループリストに追加されたＣＮＯＴゲートまたはＣＮＯＴゲート群に基づいて算出される。
【0075】
たとえば、図７に示したような量子ビットｑ０～ｑ３の接続状態を表す物理量子ビット接続情報が入力されたとする。軽量化前の第１量子回路が、図７に示すような量子回路５０であった場合、右側のＲｚゲートに付随するＣＮＯＴゲートは、量子ビットｑ０,ｑ３間の量子もつれを生成するものである。隣接する量子ビット間の距離を１とすると、量子ビットｑ０,ｑ３間の距離は３である。この距離から１を引いた値が、そのＣＮＯＴゲートに関してトランスパイル後に生成されるスワップゲートの数である。
【0076】
ステップＳ２６の処理後、再びステップＳ２２の処理が行われる。
（ステップＳ２７）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、物理量子ビット接続情報があるか否かを判定する。削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、物理量子ビット接続情報があると判定した場合、ステップＳ２８の処理を行い、物理量子ビット接続情報がないと判定した場合、ステップＳ３０の処理を行う。
（ステップＳ２７）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、物理量子ビット接続情報があるか否かを判定する。削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、物理量子ビット接続情報があると判定した場合、ステップＳ２８の処理を行い、物理量子ビット接続情報がないと判定した場合、ステップＳ３０の処理を行う。
【0077】
（ステップＳ２８）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、スワップ数リストをスワップゲート数で昇順ソートする。このため、トランスパイル後に付随するスワップゲートの数が少ないＲｚゲートのＲｚ－ＩＤほど、スワップ数リストの先頭に近くなる。
【0078】
（ステップＳ２９）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、ソート後のスワップ数リストのＲｚ－ＩＤをＲｚ－ＩＤリストとしてコピーする。
（ステップＳ３０）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、グループリストをＲｚ－ＩＤで降順ソートする。なお、第１量子回路において量子ビットにより先に作用するＲｚゲートほど、小さいＲｚ－ＩＤが割り当てられている。このため、量子ビットに、より後に作用するＲｚゲートのＲｚ－ＩＤほど、グループリストの先頭に近くなる。
（ステップＳ３０）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、グループリストをＲｚ－ＩＤで降順ソートする。なお、第１量子回路において量子ビットにより先に作用するＲｚゲートほど、小さいＲｚ－ＩＤが割り当てられている。このため、量子ビットに、より後に作用するＲｚゲートのＲｚ－ＩＤほど、グループリストの先頭に近くなる。
【0079】
（ステップＳ３１）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、ソート後のグループリストのＲｚ－ＩＤをＲｚ－ＩＤリストとしてコピーする。
ステップＳ２９またはステップＳ３１の処理後、Ｒｚ／ＣＮＯＴグループの特定処理（図８のステップＳ１２の処理）が終了する。
ステップＳ２９またはステップＳ３１の処理後、Ｒｚ／ＣＮＯＴグループの特定処理（図８のステップＳ１２の処理）が終了する。
【0080】
以上の処理により、トランスパイル後に付随するスワップゲートの数が少ないＲｚゲートのＲｚ－ＩＤほど、Ｒｚリストの先頭に近くなる。または、量子ビットに、より後に作用するＲｚゲートのＲｚ－ＩＤほど、Ｒｚリストの先頭に近くなる。
【0081】
図１０は、削除対象のＲｚゲートの特定手順の一例を示すフローチャートである。図１０には、図８に示したステップＳ１３の処理手順の一例が示されている。
（ステップＳ４０）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、Ｒｚ保持リストを空に初期化する。
（ステップＳ４０）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、Ｒｚ保持リストを空に初期化する。
【0082】
（ステップＳ４１）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、前述のステップＳ２９またはステップＳ３１の処理で得られたＲｚ－ＩＤリストが空であるか否かを判定する。削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、Ｒｚ－ＩＤリストが空ではないと判定した場合、ステップＳ４２の処理を行い、Ｒｚ－ＩＤリストが空であると判定した場合、削除対象のＲｚゲートの特定処理を終える。
【0083】
（ステップＳ４２）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、Ｒｚリストの先頭のＩＤ（Ｒｚ－ＩＤ）を取り出す。
（ステップＳ４３）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、先頭のＩＤのＲｚゲートが紐づく角度パラメータのＩＤ（パラメータＩＤ）を、第１量子回路情報から取得する。図１に示したような第１量子回路１３ａが用いられる場合、まず、左側のＲｚゲートに紐づくパラメータＰ０のパラメータＩＤが取得される。
（ステップＳ４３）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、先頭のＩＤのＲｚゲートが紐づく角度パラメータのＩＤ（パラメータＩＤ）を、第１量子回路情報から取得する。図１に示したような第１量子回路１３ａが用いられる場合、まず、左側のＲｚゲートに紐づくパラメータＰ０のパラメータＩＤが取得される。
【0084】
（ステップＳ４４）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、取得したパラメータＩＤがＲｚ保持リストにあるか否かを判定する。削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、取得したパラメータＩＤがＲｚ保持リストにはないと判定した場合、ステップＳ４５の処理を行う。削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、取得したパラメータＩＤがＲｚ保持リストにあると判定した場合、ステップＳ４７の処理を行う。
【0085】
（ステップＳ４５）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、取得したパラメータＩＤを、Ｒｚ保持リストに登録する。
（ステップＳ４６）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、取得したパラメータＩＤの角度パラメータに紐づけられたＲｚゲートの保持数をカウントする前述のカウンタの値を１に設定し、ステップＳ４１の処理に戻る。
（ステップＳ４６）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、取得したパラメータＩＤの角度パラメータに紐づけられたＲｚゲートの保持数をカウントする前述のカウンタの値を１に設定し、ステップＳ４１の処理に戻る。
【0086】
（ステップＳ４７）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、取得したパラメータＩＤの角度パラメータに紐づけられたＲｚゲートのカウンタ値が、ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍよりも小さいか否かを判定する。削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、カウンタ値が、ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍよりも小さいと判定した場合、ステップＳ４８の処理を行う。削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、カウンタ値が、ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍ以上であると判定した場合、ステップＳ４９の処理を行う。
【0087】
（ステップＳ４８）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、カウンタ値を＋１する。これにより、Ｒｚゲートの保持数が＋１増えたことになる。
（ステップＳ４９）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、削除リストにステップＳ４２の処理で取り出されたＲｚ－ＩＤを追加する。
（ステップＳ４９）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、削除リストにステップＳ４２の処理で取り出されたＲｚ－ＩＤを追加する。
【0088】
ステップＳ４８，Ｓ４９の処理後、再びステップＳ４１の処理が行われる。
以上の処理により削除リストには、全Ｒｚゲート数から、ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍと第１量子回路１３ａ内のパラメータ数の積を引いた数のＲｚゲートのＲｚ－ＩＤが追加される。
以上の処理により削除リストには、全Ｒｚゲート数から、ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍと第１量子回路１３ａ内のパラメータ数の積を引いた数のＲｚゲートのＲｚ－ＩＤが追加される。
【0089】
ステップＳ４２の処理にて、Ｒｚ－ＩＤリストの先頭からＲｚ－ＩＤが取り出されていくため、削除リストに追加されるＲｚ－ＩＤは、Ｒｚ－ＩＤリストの末尾にあるものほど削除リストに追加されやすい。前述のように、トランスパイル後に付随するスワップゲートの数が少ないＲｚゲートのＲｚ－ＩＤほど、Ｒｚリストの先頭に近くなる。または、量子ビットに、より後に作用するＲｚゲートのＲｚ－ＩＤほど、Ｒｚリストの先頭に近くなる。
【0090】
このため、トランスパイル後に付随するスワップゲートの数が多いＲｚゲートのＲｚ－ＩＤほど削除リストに追加されやすくなる。つまり、トランスパイル後に付随するスワップゲートの数が多いＲｚゲートほど優先的に削除対象となる。
【0091】
また、量子ビットに、より先に作用するＲｚゲートのＲｚ－ＩＤほど削除リストに追加されやすくなる。つまり、量子ビットに、より先に作用するＲｚゲートほど優先的に削除対象となる。
【0092】
図１１は、ＣＮＯＴゲートの削除リストへの追加手順の一例を示すフローチャートである。図１１には、図８に示したステップＳ１４の処理手順の一例が示されている。
（ステップＳ５０）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、削除リストをＲｚ削除リストとしてコピーする。
（ステップＳ５０）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、削除リストをＲｚ削除リストとしてコピーする。
【0093】
（ステップＳ５１）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、Ｒｚ削除リストが空であるか否かを判定する。削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、Ｒｚ削除リストが空ではないと判定した場合、ステップＳ５２の処理を行い、Ｒｚ削除リストが空であると判定した場合、ＣＮＯＴゲートの削除リストへの追加処理を終える。
【0094】
（ステップＳ５２）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、Ｒｚ削除リストの先頭のＩＤ（Ｒｚ－ＩＤ）を取り出す。
（ステップＳ５３）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、グループリストから、取り出したＲｚ－ＩＤに対応するＣＮＯＴ－ＩＤを取得し、削除リストに追加する。
（ステップＳ５３）削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、グループリストから、取り出したＲｚ－ＩＤに対応するＣＮＯＴ－ＩＤを取得し、削除リストに追加する。
【0095】
【0096】
以上のように、情報処理装置２０の削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、複数のＲｚゲートと複数のＲｚゲートのそれぞれに付随する複数のＣＮＯＴゲートとを含み、ＶＱＥに使用される第１量子回路を表す第１量子回路情報を取得する。また、削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、角度パラメータごとのＲｚゲート数ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍを取得する。さらに削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、第１量子回路情報と、ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍに基づいて、たとえば、図１０に示したような処理により、第１量子回路から削除対象のＲｚゲートを特定する。そしてＲｚ／ＣＮＯＴゲート削除部３９は、特定したＲｚゲートと、特定したＲｚゲートに付随するＣＮＯＴゲートとを第１量子回路から削除した第２量子回路を表す第２量子回路情報を生成し、出力部４１は第２量子回路情報を出力する。
【0097】
このような処理によりＣＮＯＴゲートの数を減らした第２量子回路が得られるため、第２量子回路をＮＩＳＱなどの実際の量子デバイスに実装してＶＱＥを実行したときに、ノイズに起因するエラーによる誤差が低減できる。
【0098】
また、情報処理装置２０の削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、量子デバイスの物理量子ビットの接続状態を表す物理量子ビット接続情報を取得する。削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、物理量子ビット接続情報に基づいて、トランスパイルを行った場合に複数のＣＮＯＴゲートから得られるスワップゲートの数を、複数のＲｚゲートのそれぞれに対して算出する。そして削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、算出したスワップゲートの数が多いＲｚゲートを優先的に、削除対象のＲｚゲートとして特定する。スワップゲートは３つのＣＮＯＴゲートで構成されるため、スワップゲートの数が多いＲｚゲートを削除対象とすることで、より多くのＣＮＯＴゲートを削除でき、ノイズに起因するエラーによる誤差をより低減できる。
【0099】
また、情報処理装置２０の削除対象Ｒｚ／ＣＮＯＴゲート特定部３３は、第１量子回路において、量子ビットに対して先に作用するＲｚゲートほど優先的に、削除対象のＲｚゲートとして特定する。これにより、計算結果に対しての重要度が高いと考えられる、より後に作用するＲｚゲートを残せる。
【0100】
なお、ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍは、複数の角度パラメータに対して同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍは、ＣＮＯＴゲート数と誤差との相関に基づいて、ユーザが調整可能である。
【0101】
図１２は、ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍと誤差とＣＮＯＴゲート数との相関の一例を示す図である。ノイズありシミュレーションとノイズなしシミュレーションについての、ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍと誤差とＣＮＯＴゲート数との相関の例が示されている。横軸はｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍを表し、縦軸は、ＣＮＯＴゲート数と誤差を表している。
【0102】
図１２の例では、水素原子が４つ鎖状に配列された分子（Ｈｃｈａｉｎ４）のＵＣＣＳＤによるａｎｓａｔｚが用いられている。用いた基底系はＳＴＯ－３Ｇである。ｄｉｓｔ＝１．０は、各水素原子間の原子間距離が１．０Åであることを示している。なお、誤差は、Ｆｕｌｌ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ手法により得られたＨｃｈａｉｎ４の基底エネルギーと、ＶＱＥにより得られたＨｃｈａｉｎ４の基底エネルギーとの差である。
【0103】
図１２のように、ノイズなしシミュレーションの場合は、第１量子回路の軽量化の度合いが弱い（ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍが大きい）ほど誤差が小さい。これに対して、ノイズありシミュレーションの場合は、軽量化の度合いが強いほど誤差が小さい。これは、ノイズによるエラー率が高いＣＮＯＴゲートをより多く削除できるためである。
【0104】
なお、図１２に示されているように、ノイズなしシミュレーションの場合は、軽量化の度合いが最も強い場合（ｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍ＝１の場合）でも、誤差が化学的精度内に収まっている。
【0105】
情報処理装置２０は、このような関係に基づいて、必要な精度が得られるようにｒｚ＿ｐｅｒ＿ｐａｒａｍを調整可能である。
図１３は、第２の実施の形態の量子回路軽量化方法による効果の一例を示す図である。図１３では、ノイズなしシミュレーションとノイズありシミュレーションについて、軽量化前の量子回路（第１量子回路）と、軽量化後の量子回路の誤差及びＣＮＯＴゲート数が比較されている。図３と同様にＬｉＨのａｎｓａｔｚが用いられている。
図１３は、第２の実施の形態の量子回路軽量化方法による効果の一例を示す図である。図１３では、ノイズなしシミュレーションとノイズありシミュレーションについて、軽量化前の量子回路（第１量子回路）と、軽量化後の量子回路の誤差及びＣＮＯＴゲート数が比較されている。図３と同様にＬｉＨのａｎｓａｔｚが用いられている。
【0106】
なお、軽量化後の量子回路は、前述の方法で得られた第２量子回路をトランスパイルしたものである。軽量化後の量子回路については、物理量子ビット接続情報がない場合と、物理量子ビット接続情報がある場合の２種類あげられている。また、図１３（Ａ）は、ＵＣＣＳＤのａｎｓａｔｚを用いた例、図１３（Ｂ）は、ＰＵＣＣＳＤ（Parallel Unitary Coupled Cluster Singles and Doubles）を用いた例である。
【0107】
図１３（Ａ）、（Ｂ）のように、軽量化前の量子回路（第１量子回路）に対して軽量化後の量子回路は、ＣＮＯＴゲートが大幅に削減されている。これにより、ノイズによる誤差の増大が低減されている。なお、ノイズがない場合の軽量化による精度の悪化も抑えられている。
【0108】
なお、量子回路から冗長な量子ゲートの削除や複数量子ゲートのマージを行う量子回路最適化手法を、上記のような量子回路軽量化方法と組み合わせることもできる。その場合、軽量化後の量子回路（第２量子回路）に対して、量子回路最適化手法を適用すればよい。第２量子回路に対して量子回路最適化手法を適用すれば、第１量子回路に対して量子回路最適化手法を適用するよりも、削除される量子ゲート数が増え、トランスパイル後の回路がより一層軽量化することが期待できる。
【0109】
なお、前述のように、上記の処理内容は、情報処理装置２０にプログラム（たとえば、量子回路軽量化プログラム）を実行させることで実現できる。
プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体（たとえば、記録媒体２６ａ）に記録しておくことができる。記録媒体として、たとえば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリなどを使用できる。磁気ディスクには、ＦＤ及びＨＤＤが含まれる。光ディスクには、ＣＤ、ＣＤ－Ｒ（Recordable）／ＲＷ（Rewritable）、ＤＶＤ及びＤＶＤ－Ｒ／ＲＷが含まれる。プログラムは、可搬型の記録媒体に記録されて配布されることがある。その場合、可搬型の記録媒体から他の記録媒体（たとえば、ＨＤＤ２３）にプログラムをコピーして実行してもよい。
プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体（たとえば、記録媒体２６ａ）に記録しておくことができる。記録媒体として、たとえば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリなどを使用できる。磁気ディスクには、ＦＤ及びＨＤＤが含まれる。光ディスクには、ＣＤ、ＣＤ－Ｒ（Recordable）／ＲＷ（Rewritable）、ＤＶＤ及びＤＶＤ－Ｒ／ＲＷが含まれる。プログラムは、可搬型の記録媒体に記録されて配布されることがある。その場合、可搬型の記録媒体から他の記録媒体（たとえば、ＨＤＤ２３）にプログラムをコピーして実行してもよい。
【0110】
以上、実施の形態に基づき、本発明の量子回路軽量化プログラム、情報処理装置及び量子回路軽量化方法の一観点について説明してきたが、これらは一例にすぎず、上記の記載に限定されるものではない。
【符号の説明】
【0111】
１０ 情報処理装置
１１ 記憶部
１２ 処理部
１３ａ 第１量子回路
１３ｂ 第２量子回路
１１ 記憶部
１２ 処理部
１３ａ 第１量子回路
１３ｂ 第２量子回路
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】