量子物理日本語公開済み

VULCAN法で量子化学計算の測定とゲート数を大幅短縮

2026年10月31日arXiv: 2610.40561v1

VULCAN（Variational Upbuilding, Layered Compression, Adaptive N-body Perturbation）という混合量子–古典手法が、H2OやC3H6などの分子で化学精度を維持しながら、測定回数を従来のバッチADAPT‑VQEの5〜20％、CNOTゲート数を10〜30％に削減できることが示された。

VULCANは、各イテレーションでオペレータプール全体を一層として追加し、重なり勾配を用いてゲインを選択しながら圧縮する。これにより、ハミルトニアン勾配測定をほぼ除外し、電流深さを増やすことなく回路を浅く保てる。さらに、GPU加速の確率的エプステン–ネステブ（ENPT²）補正を組み合わせることで、量子部分だけで化学精度に到達し、量子ループを早期終了させる判定基準を提供する。

高性能エミュレータで32論理量子まで試験した結果、H‑チェーン（H6〜H10）、BeH2、H2Oでは測定コストがバッチADAPT‑VQEの7〜18％、CNOT数は1.3〜2.9倍程度に抑えられた。

C3H6（32量子）では、単一VULCANレイヤーにENPT²補正を加えることで、測定コストがバッチADAPT‑VQEの約0.02％にまで低減し、化学精度を達成した。

表2では、全てのベンチマーク分子で化学精度に達した時点での測定コストとCNOT数の比を示し、VULCANがバッチADAPT‑VQEの下限に比べて多くの場合有利であることが確認できる。

表 2：各分子で化学精度を達成した時点での測定コストとCNOT数の比率が、VULCANはバッチADAPT-VQEの5–20％と10–30％に抑えられていることを示す
Molecule	CNOTs			Cumulative hardware executions
	Standard	Compressed	PT2	Standard

表 2：各分子で化学精度を達成した時点での測定コストとCNOT数の比率が、VULCANはバッチADAPT-VQEの5–20％と10–30％に抑えられていることを示す
Molecule	CNOTs	Cumulative hardware executions
	Standard	Compressed	PT2	Standard

Molecule

CNOTs

Cumulative hardware executions

Standard

Compressed

PT2

Standard

System	Qubits	VULCAN	QEB	Original basis	Optimized basis
	full →k	(full register)	(full register)	(no compression)	(+ compression)
H4	8→4	142 (2.1×10−5)	130 (1.3×10−4)	62 (1.3×10−4)	22 (1.3×10−4)
BeH2 (3.0 Å)	14→7	1084 (8.4×10−5)	593 (8.5×10−5)	680 (3.8×10−4)	410 (3.8×10−4)
H2O (STO-3G)	14→7	1598 (4.7×10−5)	338 (2.1×10−4)	302 (2.1×10−4)	152 (2.2×10−4)
H2O (6-31G)	26→20	7728 (2.5×10−3)	4043 (3.5×10−3)	7658 (3.5×10−3)	2012 (3.5×10−3)

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