Abstraqt: Analyse af kvantekredsløb via abstrakt stabilisatorsimulering

Abstraqt: Analyse af kvantekredsløb via abstrakt stabilisatorsimulering

Tidsstempel: 20. november 2023 kl. 10

Benjamin Bichsel, Anouk Paradis, Maximilian Baader og Martin Vechev

ETH Zürich, Schweiz

Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Stabilisator-simulering kan effektivt simulere en vigtig klasse af kvantekredsløb, der udelukkende består af Clifford-porte. Imidlertid lider alle eksisterende udvidelser af denne simulering til vilkårlige kvantekredsløb inklusive ikke-Clifford-gates af en eksponentiel kørselstid.
For at løse denne udfordring præsenterer vi en ny tilgang til effektiv stabilisatorsimulering på vilkårlige kvantekredsløb på bekostning af mistet præcision. Vores nøgleide er at komprimere en eksponentiel sumrepræsentation af kvantetilstanden til en enkelt $abstrakt$ summand, der dækker (mindst) alle forekommende summeringer. Dette giver os mulighed for at introducere en $textit{abstract stabilizer simulator}$, der effektivt manipulerer abstrakte summands ved at $over-approksimere effekten af ​​kredsløbsoperationer inklusive Clifford-porte, ikke-Clifford-gates og (interne) målinger.
Vi implementerede vores abstrakte simulator i et værktøj kaldet Abstraqt og demonstrerer eksperimentelt, at Abstraqt kan etablere kredsløbsegenskaber, der er vanskelige for eksisterende teknikker.

Abstraqt: Analysis of Quantum Circuits via Abstract Stabilizer Simulation PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Udvalgt billede: Abstraqt komprimerer en eksponentiel sumrepræsentation af kvantetilstanden til en enkelt abstrakt summand.

► BibTeX-data

► Referencer

[1] Daniel Gottesman. "Heisenberg-repræsentationen af ​​kvantecomputere". Teknisk rapport arXiv:quant-ph/​9807006. arXiv (1998).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​9807006
arXiv:quant-ph/9807006

[2] Scott Aaronson og Daniel Gottesman. "Forbedret simulering af stabilisatorkredsløb". Physical Review A 70, 052328 (2004).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.70.052328

[3] Robert Rand, Aarthi Sundaram, Kartik Singhal og Brad Lackey. "Udvider godesman-typer ud over clifford-gruppen". I den anden internationale workshop om programmeringssprog til kvanteberegning (PLanQC 2021). (2021). url: https://​/​pldi21.sigplan.org/​details/​planqc-2021-papers/​9/​Extending-Gottesman-Types-Beyond-the-Clifford-Group.
https://​/​pldi21.sigplan.org/​details/​planqc-2021-papers/​9/​Extending-Gottesman-Types-Beyond-the-Clifford-Group

[4] Aleks Kissinger og John van de Wetering. "Simulering af kvantekredsløb med ZX-calculus reduceret stabilisatornedbrydning". Quantum Science and Technology 7, 044001 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ac5d20

[5] Sergey Bravyi, Dan Browne, Padraic Calpin, Earl Campbell, David Gosset og Mark Howard. "Simulering af kvantekredsløb ved stabilisatornedbrydninger med lav rang". Quantum 3, 181 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-09-02-181

[6] Hakop Pashayan, Oliver Reardon-Smith, Kamil Korzekwa og Stephen D. Bartlett. "Hurtig estimering af udfaldssandsynligheder for kvantekredsløb". PRX Quantum 3, 020361 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.3.020361

[7] "Klassisk simulering af kvantekredsløb med partielle og grafiske stabilisatornedbrydninger". Schloss Dagstuhl – Leibniz-Zentrum für Informatik (2022).
https://​/​doi.org/​10.4230/​LIPICS.TQC.2022.5

[8] Patrick Cousot og Radhia Cousot. "Abstrakt fortolkning: En samlet gittermodel til statisk analyse af programmer ved konstruktion eller tilnærmelse af fikspunkter". I forløbet af det 4. ACM SIGACT-SIGPLAN-symposium om principper for programmeringssprog. Side 238–252. POPL '77New York, NY, USA (1977). ACM.
https://​/​doi.org/​10.1145/​512950.512973

[9] Patrick Cousot og Radhia Cousot. "Abstrakte fortolkningsrammer". Journal of logic and computation 2, 511-547 (1992).
https://​/​doi.org/​10.1093/​logcom/​2.4.511

[10] Bruno Blanchet, Patrick Cousot, Radhia Cousot, Jérome Feret, Laurent Mauborgne, Antoine Miné, David Monniaux og Xavier Rival. "En statisk analysator til stor sikkerhedskritisk software". ACM SIGPLAN Notices 38, 196–207 (2003).
https://​/​doi.org/​10.1145/​780822.781153

[11] Francesco Logozzo og Manuel Fähndrich. "Pentagons: Et svagt relationelt abstrakt domæne til effektiv validering af array-adgange". Science of Computer Programming 75, 796–807 (2010).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​j.scico.2009.04.004

[12] Timon Gehr, Matthew Mirman, Dana Drachsler-Cohen, Petar Tsankov, Swarat Chaudhuri og Martin Vechev. "AI2: Sikkerheds- og robusthedscertificering af neurale netværk med abstrakt fortolkning". I 2018 IEEE Symposium on Security and Privacy (SP). Side 3-18. San Francisco, Californien (2018). IEEE.
https://​/​doi.org/​10.1109/​SP.2018.00058

[13] Michael A. Nielsen og Isaac L. Chuang. "Kvanteberegning og kvanteinformation: 10-års jubilæumsudgave". Cambridge University Press. (2010).
https://​/​doi.org/​10.1017/​CBO9780511976667

[14] Gadi Aleksandrowicz, Thomas Alexander, Panagiotis Barkoutsos, Luciano Bello, Yael Ben-Haim, David Bucher, Francisco Jose Cabrera-Hernández, Jorge Carballo-Franquis, Adrian Chen, Chun-Fu Chen, Jerry M. Chow, Antonio D. Córcoles-Gonzales , Abigail J. Cross, Andrew Cross, Juan Cruz-Benito, Chris Culver, Salvador De La Puente González, Enrique De La Torre, Delton Ding, Eugene Dumitrescu, Ivan Duran, Pieter Eendebak, Mark Everitt, Ismael Faro Sertage, Albert Frisch, Andreas Fuhrer, Jay Gambetta, Borja Godoy Gago, Juan Gomez-Mosquera, Donny Greenberg, Ikko Hamamura, Vojtech Havlicek, Joe Hellmers, Łukasz Herok, Hiroshi Horii, Shaohan Hu, Takashi Imamichi, Toshinari Itoko, Kan Ali Javadi-Abharazi, Naok Anton Karazeev, Kevin Krsulich, Peng Liu, Yang Luh, Yunho Maeng, Manoel Marques, Francisco Jose Martín-Fernández, Douglas T. McClure, David McKay, Srujan Meesala, Antonio Mezzacapo, Nikolaj Moll, Diego Moreda Rodríguez, Giacomo Nannicini, Paul Nation , Pauline Ollitrault, Lee James O'Riordan, Hanhee Paik, Jesús Pérez, Anna Phan, Marco Pistoia, Viktor Prutyanov, Max Reuter, Julia Rice, Abdón Rodríguez Davila, Raymond Harry Putra Rudy, Mingi Ryu, Ninad Sathaye, Chris Schnabel, Eddie Schoute, Kanav Setia, Yunong Shi, Adenilton Silva, Yukio Siraichi, Seyon Sivarajah, John A. Smolin, Mathias Soeken, Hitomi Takahashi, Ivano Tavernelli, Charles Taylor, Pete Taylour, Kenso Trabing, Matthew Treinish, Wes Turner, Desiree Vogt-Lee , Christophe Vuillot, Jonathan A. Wildstrom, Jessica Wilson, Erick Winston, Christopher Wood, Stephen Wood, Stefan Wörner, Ismail Yunus Akhalwaya og Christa Zoufal. "Qiskit: En open source-ramme til kvanteberegning" (2019).

[15] Charles R. Harris, K. Jarrod Millman, Stéfan J. van der Walt, Ralf Gommers, Pauli Virtanen, David Cournapeau, Eric Wieser, Julian Taylor, Sebastian Berg, Nathaniel J. Smith, Robert Kern, Matti Picus, Stephan Hoyer, Marten H. van Kerkwijk, Matthew Brett, Allan Haldane, Jaime Fernández del Río, Mark Wiebe, Pearu Peterson, Pierre Gérard-Marchant, Kevin Sheppard, Tyler Reddy, Warren Weckesser, Hameer Abbasi, Christoph Gohlke og Travis E. Oliphant. "Array-programmering med NumPy". Nature 585, 357-362 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-020-2649-2

[16] Siu Kwan Lam, Antoine Pitrou og Stanley Seibert. "Numba: en LLVM-baseret Python JIT compiler". I Proceedings of the Second Workshop om LLVM Compiler Infrastructure i HPC. Side 1-6. LLVM '15New York, NY, USA (2015). Foreningen for Datamaskiner.
https://​/​doi.org/​10.1145/​2833157.2833162

[17] Craig Gidney. "Stim: en hurtig stabilisatorkredsløbssimulator". Quantum 5, 497 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-07-06-497

[18] Henry S. Warren. "Hackers glæde". Addison-Wesley Professional. (2012). 2. udgave.
https://​/​doi.org/​10.5555/​2462741

[19] Aleks Kissinger og John van de Wetering. "PyZX: Automatiseret diagrammatisk ræsonnement i stor skala". I Bob Coecke og Matthew Leifer, redaktører, Proceedings 16th International Conference on Quantum Physics and Logic, Chapman University, Orange, CA, USA., 10-14 juni 2019. Bind 318 af Electronic Proceedings in Theoretical Computer Science, side 229-241. Open Publishing Association (2020).
https://​/​doi.org/​10.4204/​EPTCS.318.14

[20] Matthew Amy. "Mod storstilet funktionel verifikation af universelle kvantekredsløb". Electronic Proceedings in Theoretical Computer Science 287, 1–21 (2019).
https://​/​doi.org/​10.4204/​EPTCS.287.1

[21] Nengkun Yu og Jens Palsberg. "Kvanteabstrakt fortolkning". I forbindelse med den 42. ACM SIGPLAN internationale konference om programmeringssprogsdesign og -implementering. Side 542–558. PLDI 2021New York, NY, USA (2021). Foreningen for Datamaskiner.
https://​/​doi.org/​10.1145/​3453483.3454061

[22] Antoine Miné. "Svagt relationelle numeriske abstrakte domæner". Ph.d.-afhandling (2004). url: https://​/​www-apr.lip6.fr/​mine/​disse/​disse-farve.pdf.
https://​/​www-apr.lip6.fr/​~mine/​disse/​disse-farve.pdf

[23] Simon Perdrix. "Kvantesammenfiltringsanalyse baseret på abstrakt fortolkning". I Proceedings of the 15th International Symposium on Static Analysis. Side 270–282. SAS '08Berlin, Heidelberg (2008). Springer-Verlag.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-540-69166-2_18

[24] Kentaro Honda. "Analyse af kvantesammenfiltring i kvanteprogrammer ved hjælp af stabilisatorformalisme". Electronic Proceedings in Theoretical Computer Science 195 (2015).
https://​/​doi.org/​10.4204/​EPTCS.195.19

[25] Kesha Hietala, Robert Rand, Shih-Han Hung, Liyi Li og Michael Hicks. "Beviser kvanteprogrammer korrekt". Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs) 193, 21:1–21:19 (2021).
https://​/​doi.org/​10.4230/​LIPIcs.ITP.2021.21

[26] Christophe Chareton, Sébastien Bardin, François Bobot, Valentin Perrelle og Benoît Valiron. "En automatiseret deduktiv verifikationsramme for kredsløbsbyggende kvanteprogrammer". I programmeringssprog og systemer. Side 148–177. Springer International Publishing (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-030-72019-3_6

[27] Mingsheng Ying, Shenggang Ying og Xiaodi Wu. "Invarianter af kvanteprogrammer: Karakteriseringer og generation". SIGPLAN Ikke. 52, 818-832 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1145/​3093333.3009840

Citeret af

Kunne ikke hente Crossref citeret af data under sidste forsøg 2023-11-20 15:19:03: Kunne ikke hente citerede data for 10.22331/q-2023-11-20-1185 fra Crossref. Dette er normalt, hvis DOI blev registreret for nylig. På SAO/NASA ADS ingen data om at citere værker blev fundet (sidste forsøg 2023-11-20 15:19:04).

Dette papir er udgivet i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Ophavsretten forbliver hos de originale copyright-indehavere, såsom forfatterne eller deres institutioner.

Tidsstempel:

Mere fra Quantum Journal