Quantum Science Center (QSC)の研究者たちは、Purdue University、Oak Ridge National Laboratory (ORNL)、IBMのチームを中心として、1次元ハイゼンベルグ鎖におけるスピン輸送の初のデジタル量子シミュレーションを達成した。Physical Review Lettersに掲載されたこの研究は、IBM Heronプロセッサ上での40量子ビットシミュレーションを利用し、スピン電流が微視的レベルで時間とともにどのように発展するかを観測した。この画期的成果により、量子コンピューティングは理論的な概念実証から、低次元量子材料を通じてエネルギーや情報がどのように流れるかといった物性物理学における基本的な問題への取り組みへと移行した。
スピン輸送をシミュレートする上での主要な技術的課題は、スピン電流自己相関関数(ACF)に関連する高いゲートコストである。アダマールテストのような従来の方法では、複雑な制御ゲートと追加の補助量子ビットが必要となり、計算効率の低下(O(N2)スケーリング)を招く。QSCチームは、回路途中測定(MCM)を特徴とする新しい直接測定アルゴリズムを活用した。このアプローチにより、O(N)の効率でスピン電流の挙動を追跡することが可能となり、現代のノイズの多いハードウェア上で、約100ゲート層、約1,900個の2量子ビットゲートに達するものもある深い回路を実行できるようになった。
研究者たちは、ハイゼンベルグモデルの異方性パラメータ(Δ)を変化させることで、3つの異なる輸送領域のモデル化に成功した。
シミュレーションは、これらの動きの実空間動的描像を提供し、フッ化銅カリウム(KCuF3)のような現実世界の量子磁性体からの実験データと照合して検証された。
量子コンピュータがドルーデ重み(持続電流の尺度)と拡散係数のべき乗則スケーリングを正確に再現できることを実証することで、この研究は材料科学のためのプログラム可能なツールセットを確立した。この能力は、電子の電荷ではなくスピンを使って情報を処理するスピントロニクスデバイスの開発に不可欠であり、より省エネルギーな電子機器につながる可能性がある。University of Illinois Urbana-Champaignからの協力者を含むQSCチームは、これらの技術を2次元スピン系や、現在古典的スーパーコンピュータの能力を超える複雑な熱輸送問題へとスケールアップする計画である。
ORNLのスピン輸送シミュレーションに関する公式報告と、技術研究論文「Digital Quantum Simulation of Spin Transport」はarXivで閲覧可能である。
2026年5月2日
