Kompilierung von Quantenschaltungen und Hybridberechnung mit Pauli-basierter Berechnung

Kompilierung von Quantenschaltungen und Hybridberechnung mit Pauli-basierter Berechnung

Zeitstempel: 3. Oktober 2023, 10:58 Uhr

Filipa CR Peres1,2 und Ernesto F. Galvão1,3

1Internationales Iberisches Nanotechnologielabor (INL), Av. Mestre José Veiga, 4715-330 Braga, Portugal
2Departamento de Física e Astronomia, Faculdade de Ciências, Universidade do Porto, rua do Campo Alegre s/n, 4169–007 Porto, Portugal
3Instituto de Física, Universidade Federal Fluminense, Avenida General Milton Tavares de Souza s/n, Niterói, Rio de Janeiro 24210-340, Brasilien

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Abstrakt

Die Pauli-basierte Berechnung (PBC) basiert auf einer Folge adaptiv ausgewählter, zerstörungsfreier Messungen von Pauli-Observablen. Jeder Quantenschaltkreis, der im Sinne des Clifford+$T$-Gattersatzes geschrieben ist und über $t$ $T$-Gatter verfügt, kann zu einem PBC auf $t$ Qubits kompiliert werden. Hier schlagen wir praktische Möglichkeiten zur Implementierung von PBC als adaptive Quantenschaltungen vor und stellen Code für die erforderliche klassische Nebenverarbeitung bereit. Unsere Schemata reduzieren die Anzahl der Quantengatter auf $O(t^2)$ (aus einer vorherigen $O(t^3 / log t)$-Skalierung) und es werden Raum-/Zeit-Kompromisse diskutiert, die zu einer Reduzierung führen Tiefe von $O(t log t)$ bis $O(t)$ innerhalb unserer Schemata, auf Kosten von $t$ zusätzlichen Hilfs-Qubits. Wir stellen Beispiele für Zufalls- und Hidden-Shift-Quantenschaltungen in adaptive PBC-Schaltungen zusammen. Wir simulieren auch hybride Quantenberechnungen, bei denen ein klassischer Computer den Arbeitsspeicher eines kleinen Quantencomputers effektiv um $k$ virtuelle Qubits erweitert, wobei die Kosten exponentiell in $k$ liegen. Unsere Ergebnisse zeigen den praktischen Vorteil von PBC-Techniken für die Schaltungskompilierung und Hybridberechnung.

Kompilierung von Quantenschaltkreisen und Hybridberechnung mithilfe der Pauli-basierten Berechnung PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikale Suche. Ai.

Ausgewähltes Bild: Bei einer Pauli-basierten Berechnung (PBC) wird die Berechnung durch eine Folge von höchstens $t$ adaptiv ausgewählten, kompatiblen und unabhängigen Multiqubit-Pauli-Messungen gesteuert, die an einem eingegebenen magischen Zustand von $t$ Qubits durchgeführt werden [oben] .
Ein solcher PBC kann in (adaptive) Quantenschaltungen zurückübersetzt werden, wobei jede Pauli-Messung durch eine entsprechende Folge von Clifford-Gattern durchgeführt wird, gefolgt von einer Einzel-Qubit-Messung [unten]. Wir schlagen drei verschiedene Methoden vor, um diese Übersetzung von PBC auf Quantenschaltkreise durchzuführen; Dieses Bild veranschaulicht nur das erste davon.
Diese Ideen können untersucht werden, um Schaltungskompilierung und Hybridberechnung durchzuführen.

[Eingebetteten Inhalt]

Populäre Zusammenfassung

Von großen, fehlertoleranten Quantencomputern wird erwartet, dass sie Aufgaben lösen, die für ihre klassischen Gegenstücke unerreichbar sind. Diese verlockende Aussicht hat viele aktuelle Forschungen in den Bereichen Quanteninformation und Quantenberechnung vorangetrieben.
Leider sind aktuelle Geräte in ihren Fähigkeiten noch etwas eingeschränkt. Daher sind intelligente Systeme erforderlich, die es uns ermöglichen, klassische Ressourcen gegen Quantenressourcen einzutauschen. In unserer Arbeit erforschen wir ein universelles Modell der Quantenberechnung, das als Pauli-basierte Berechnung bekannt ist. Wir zeigen, dass dieses Modell zum Kompilieren von Quantenschaltkreisen verwendet werden kann, die von Clifford-Gattern dominiert werden, was in vielen Fällen hilfreiche Quantenressourceneinsparungen demonstriert. Wir beschreiben auch Effizienzgewinne bei der hybriden quantenklassischen Berechnung, bei der die beiden Computertypen zusammenarbeiten, um ein größeres Quantengerät zu simulieren. Unser Artikel wird von frei zugänglichem Python-Code begleitet, der es Benutzern ermöglicht, sowohl Kompilierung als auch Hybridberechnungen auf beliebigen benutzerdefinierten Schaltkreisen durchzuführen, die mit dem gemeinsamen Clifford+$T$-Gate-Set beschrieben werden.
Wir gehen davon aus, dass unsere Arbeit für kurz- und mittelfristige Anwendungen, aber auch langfristig relevant sein wird, da die Optimierung von Quantenressourcen auch nach der Erreichung des fehlertoleranten Quantencomputings von Interesse sein dürfte.

► BibTeX-Daten

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