مدارهای کوانتومی کوتاهتر از طریق تقریب گیت تک کیوبیتی

مدارهای کوانتومی کوتاهتر از طریق تقریب گیت تک کیوبیتی

مدارهای کوانتومی کوتاهتر از طریق تقریب گیت تک کیوبیتی هوش داده پلاتوبلاکچین. جستجوی عمودی Ai.

وادیم کلیوشنیکوف1,2، کریستین لاتر3، رومی مینکو4,5، آدام پتزنیک1و کریستف پتیت6,7

1مایکروسافت کوانتوم، ردموند، WA، ایالات متحده
2مایکروسافت کوانتوم، تورنتو، ON، کالیفرنیا
3فیسبوک AI Research، سیاتل، WA، ایالات متحده
4دانشگاه آکسفورد ، آکسفورد ، انگلستان
5موسسه تحقیقات ریاضی Heilbronn، دانشگاه بریستول، بریستول، انگلستان
6دانشگاه بیرمنگام، بیرمنگام، انگلستان
7Université Libre de Bruxelles، بروکسل، بلژیک

این مقاله را جالب می دانید یا می خواهید بحث کنید؟ SciRate را ذکر کنید یا در SciRate نظر بدهید.

چکیده

ما یک روش جدید برای تقریب واحدهای تک کیوبیتی کلی از یک مجموعه گیت جهانی محدود با کاهش مسئله به یک مسئله تقریب بزرگی جدید، دستیابی به بهبود فوری در طول دنباله با ضریب 7/9 ارائه می‌دهیم. گسترش کارها [28[و]15[13] و مشکلات تقریب بزرگی باعث صرفه جویی در ضریب دو در هزینه های تقریب می شود. به‌ویژه، در مجموعه گیت‌های Clifford+$sqrt{mathrm{T}}$ به میانگین تعداد دروازه‌های غیرکلیفورد 0.23log_2$(1/varepsilon)+2.13$ و T-count$0.56log_2(1/varepsilon)+5.3$ دست می‌یابیم. $ با تقریب های بازگشتی مختلط برای دقت هنجار الماس $varepsilon$.
این مقاله علاوه بر این بینش های جدید، یک نمای کلی از تقریب دروازه ارائه می دهد. ما یک روش سرتاسری برای تقریب دروازه برای مجموعه‌های دروازه‌های عمومی مربوط به برخی جبرهای رباعی ارائه می‌کنیم، و مثال‌های آموزشی را با استفاده از مجموعه‌های دروازه‌های متداول تحمل‌کننده خطا (V، Clifford+T و Clifford+$sqrt{mathrm{T}}$) ارائه می‌کنیم. . ما همچنین نتایج عددی دقیقی را برای مجموعه‌های دروازه Clifford+T و Clifford+$sqrt{mathrm{T}}$ ارائه می‌کنیم. در تلاشی برای مستقل نگه داشتن مقاله، مروری بر الگوریتم‌های مربوطه برای شمارش نقاط صحیح و حل معادله هنجار نسبی ارائه می‌کنیم. ما تعدادی کاربرد بیشتر از مشکلات تقریب بزرگی و همچنین الگوریتم‌های بهبود یافته برای سنتز دقیق را در ضمائم ارائه می‌کنیم.

► داده های BibTeX

◄ مراجع

[1] فرانک آروت، کونال آریا، رایان بابوش، دیو بیکن، جوزف سی باردین، رامی بارندز، روپاک بیسواس، سرجیو بویکسو، فرناندو جی اس ال براندائو، دیوید آ. بوئل، برایان بورکت، یو چن، زیجون چن، بن کیارو، روبرتو کالینز، ویلیام کورتنی، اندرو دانسورث، ادوارد فرهی، بروکس فاکسن، آستین فاولر، کریگ گیدنی، ماریسا گیستینا، راب گراف، کیث گورین، استیو هابگر، متیو پی. هریگان، مایکل جی هارتمن، آلن هو، مارکوس هافمن، ترنت هوانگ، تراویس اس. فروتن، سرگئی وی. ایزاکوف، ایوان جفری، ژانگ جیانگ، دویر کافری، کوستیانتین کچجی، جولیان کلی، پل وی. کلیموف، سرگئی کنیش، الکساندر کوروتکوف، فدور کوستریتسا، دیوید لاندهویس، مایک لیندمارک، اریک لوسرو، دیمیتری لیاخ، سالواتوره ماندرا، جارود آر. مک‌کلین، متیو مک ایون، آنتونی مگرنت، شیائو می، کریستل میشیلسن، مسعود محسنی، جاش موتوس، اوفر نعمان، متیو نیلی، چارلز نیل، مورفی یوئژن نیو، اریک اوستبی، آندره پتوخوف، جان سی. کریس کوینتانا، النور جی. ریفل، پدرام روشن، نیکلاس سی روبین، دانیل سانک، کوین جی ساتزینگر، وادیم اسملیانسکی، کوین جی سانگ، متیو دی. ترویتیک، آمیت واینسنچر، بنجامین ویلانگا، تئودور وایت، ز. جیمی یائو ، پینگ یه، آدام زالکمن، هارتموت نون و جان ام. مارتینیس، «برتری کوانتومی با استفاده از یک پردازنده ابررسانا قابل برنامه ریزی» Nature 574، 505-510 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[2] Wojciech Banaszczyk "نابرابری برای اجسام محدب و شبکه های متقابل قطبی در $R^n$" هندسه گسسته و محاسباتی 13، 217-231 (1995).
https://doi.org/​10.1007/​BF02574039

[3] آدریانو بارنکو، چارلز اچ. بنت، ریچارد کلیو، دیوید پی. دی وینچنزو، نورمن مارگولوس، پیتر شور، تیکو اسلیتور، جان اسمولین، و هارالد واینفورتر، "دروازه های ابتدایی برای محاسبات کوانتومی" بررسی فیزیکی A 52، 3457-3467 ( 1995).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.52.3457

[4] آندریاس بلاس، الکس بوچاروف و یوری گورویچ، "مدارهای پائولی+V بدون حاشیه بهینه برای چرخش های محوری" مجله فیزیک ریاضی 56، 122201 (2015).
https://doi.org/​10.1063/​1.4936990
arXiv: 1412.1033

[5] مایکل بورلند، ارل کمپبل، مارک هاوارد و وادیم کلیوشنیکوف، "محدوده های پایین در منابع غیر کلیفورد برای محاسبات کوانتومی" علم و فناوری کوانتومی 5، 035009 (2020).
https://doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ab8963
arXiv: 1904.01124

[6] مایکل ای. بورلند، پراکاش مورالی، ماتیاس ترویر، کریستا ام. سوور، تورستن هوفلر، وادیم کلیوشنیکوف، گوانگ هائو لو، ماتیاس سوکن، آرتی ساندارام، و الکساندر واشیلو، "ارزیابی الزامات برای مقیاس به مزیت کوانتومی عملی" (2022).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.2211.07629
arXiv: 2211.07629

[7] ژان بورگین و الکس گامبورد "یک قضیه شکاف طیفی در SU$(d)$" مجله انجمن ریاضی اروپا 14، 1455-1511 (2012).
https://doi.org/​10.4171/JEMS/​337

[8] الکس بوچاروف، یوری گورویچ، و کریستا ام. سوور، "تجزیه کارآمد دروازه های تک کیوبیت به مدارهای پایه V" بررسی فیزیکی A 88، 1-13 (2013).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.88.012313
arXiv: 1303.1411

[9] سرگئی براویان و الکسی کیتایف «محاسبات کوانتومی جهانی با گیت‌های کلیفورد ایده‌آل و حلقه‌های نویزدار» فیزیک. Rev. A 71, 022316 (2005).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.71.022316

[10] سرگئی براویان و رابرت کونیگ "طبقه بندی دروازه های محافظت شده توپولوژیکی برای کدهای تثبیت کننده محلی" فیزیک. کشیش لِت 110, 170503 (2013).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.110.170503

[11] مایکل ای. بورلند، الکساندر کوبیکا، و کریستا ام. سوور، "هزینه جهانی: مطالعه مقایسه ای سربار تقطیر دولتی و تغییر کد با کدهای رنگ" PRX Quantum 2، 020341 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.020341

[12] الکس بوچاروف، مارتین روتلر و کریستا ام اسوور، "سنتز کارآمد مدارهای کوانتومی تکرار جهانی تا موفقیت" نامه‌های مروری فیزیکی 114، 080502 (2015).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.114.080502
arXiv: 1404.5320

[13] الکس بوچاروف، مارتین روتلر، و کریستا ام. سوور، "سنتز کارآمد مدارهای کوانتومی احتمالی با بازگشت مجدد" بررسی فیزیکی A 91، 052317 (2015).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.91.052317
arXiv: 1409.3552

[14] Vera von Burg، Guang Hao Low، Thomas Häner، Damian S. Steiger، Markus Reiher، Martin Roetteler، و Matthias Troyer، "محاسبات کوانتومی کاتالیز محاسباتی پیشرفته" Phys. Rev. Research 3, 033055 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.3.033055

[15] Earl Campbell "توالی‌های دروازه‌ای کوتاه‌تر برای محاسبات کوانتومی با اختلاط واحدها" Physical Review A 95 (2017).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.95.042306
arXiv: 1612.02689

[16] اندرو ام. چایلدز، یوان سو، مین سی تران، ناتان ویبه و شوچن ژو، "نظریه خطای تروتر با مقیاس بندی کموتاتور" فیزیک. Rev. X 11, 011020 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevX.11.011020

[17] دنیس ایکس. چارلز، کریستین ای. لاتر، و ایال زی گورن، "توابع هش رمزنگاری از نمودارهای بسط دهنده" مجله رمز شناسی 22، 93-113 (2009).
https://doi.org/​10.1007/​s00145-007-9002-x

[18] هنری کوهن «موضوعات پیشرفته در نظریه اعداد محاسباتی» اسپرینگر نیویورک (2000).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-1-4419-8489-0

[19] هانری کوهن "دوره ای در تئوری اعداد جبری محاسباتی" اسپرینگر برلین هایدلبرگ (1993).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-662-02945-9

[20] مجموعه داده های مدارهای کوانتومی کوتاهتر (2023).
https://azure-quantum-notebooks.azurefd.net/​publicdata/​shorter-quantum-circuits-dataset.tar

[21] برایان ایستین و امانوئل نیل "محدودیت در مجموعه دروازه های کوانتومی رمزگذاری شده عرضی" فیزیک. کشیش لِت 102, 110502 (2009).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.102.110502

[22] Simon Forest، David Gosset، Vadym Kliuchnikov و David McKinnon، "سنتز دقیق واحدهای تک کیوبیتی بر روی مجموعه های دروازه کلیفورد-سیکلوتومیک" مجله فیزیک ریاضی 56، 082201 (2015).
https://doi.org/​10.1063/​1.4927100

[23] دانیل گوتسمان و آیزاک ال. چوانگ "نشان دادن قابلیت محاسبات کوانتومی جهانی با استفاده از انتقال از راه دور و عملیات تک کیوبیت" Nature 402، 390-393 (1999).
https://doi.org/​10.1038/​46503

[24] کریگ گیدنی و آستین جی فاولر «کارخانه‌های حالت جادویی کارآمد با تبدیل $|CCZ⟩$ به $2|T⟩$" کوانتوم 3، 135 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-04-30-135

[25] یواخیم فون زور گاتن و یورگن گرهارد «جبر رایانه‌ای مدرن» انتشارات دانشگاه کمبریج (2013).
https://doi.org/​10.1017/​CBO9781139856065

[26] کریگ گیدنی «نصف هزینه جمع کوانتومی» کوانتوم 2، 74 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-06-18-74

[27] دیوید گوست، وادیم کلیوشنیکوف، میشل موسکا و وینسنت روسو، اطلاعات کوانتومی "الگوریتمی برای شمارش تی". محاسبه کنید. 14، 1261-1276 (2014).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1308.4134

[28] Matthew B. Hastings "تبدیل خطاهای سنتز گیت به خطاهای نامنسجم" اطلاعات کوانتومی و محاسبات 17، 488-494 (2017).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1612.01011
arXiv: 1612.01011

[29] آرام دبلیو هارو، بنجامین رشت و آیزاک ال. چوانگ، "تقریباهای گسسته کارآمد دروازه های کوانتومی" مجله فیزیک ریاضی 43، 4445-4451 (2002).
https://doi.org/​10.1063/​1.1495899

[30] کنت ایرلند و مایکل روزن "مقدمه ای کلاسیک بر نظریه اعداد مدرن" اسپرینگر نیویورک (1990).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-1-4757-2103-4

[31] رابان ایتن، راجر کولبک، ایوان کوکولجان، جاناتان هوم و ماتیاس کریستندل، "مدارهای کوانتومی برای ایزومتریک ها" فیزیک. Rev. A 93, 032318 (2016).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.93.032318

[32] رابان ایتن، الیور رردون اسمیت، امانوئل مالوتی، لوکا موندادا، گابریل پاورت، اتان ردموند، راوجوت سینگ کوهلی و راجر کولبک، «مقدمه‌ای بر UniversalQCompiler» (2021).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1904.01072
arXiv: 1904.01072

[33] ناتانیل جانستون، دیوید دبلیو کریبس، و ورن آی. پاولسن، اطلاعات کوانتومی "محاسبه هنجارهای تثبیت شده برای عملیات کوانتومی از طریق تئوری نقشه های کاملاً محدود". محاسبه کنید. 9، 16-35 (2009).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.0711.3636

[34] الکساندر یاکوولویچ خینچین "فرمول بندی کمی از نظریه تقریب کرونکر" ایزوستیا روسیسکوی آکادمی ناوک. سریا ماتماتیچسکایا 12، 113–122 (1948).

[35] V Kliuchnikov، A Bocharov، M Roetteler و J Yard، "چارچوبی برای تقریب واحدهای کیوبیت" (2015).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1510.03888
arXiv: 1510.03888

[36] فیلیپ کی، ریموند لافلام و میشل موسکا، "مقدمه ای بر محاسبات کوانتومی" انتشارات دانشگاه آکسفورد (2006).
https://doi.org/​10.1093/​oso/​9780198570004.001.0001

[37] V Kliuchnikov، D Maslov، و M Mosca، "تقریب مجانبی بهینه واحدهای کیوبیت تک توسط مدارهای کلیفورد و T با استفاده از تعداد ثابتی از کیوبیت‌های کمکی" نامه‌های مروری فیزیکی 110، 190502 (2013).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.110.190502
arXiv: 1212.0822

[38] وادیم کلیوشنیکوف، دیمیتری ماسلوف و میشل موسکا، اطلاعات کوانتومی "سنتز سریع و کارآمد واحدهای تک کیوبیتی تولید شده توسط کلیفورد و تی گیتس". محاسبه کنید. 13, 607-630 (2013).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1206.5236

[39] V Kliuchnikovand J Yard "چارچوبی برای سنتز دقیق" (2015).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1504.04350
arXiv: 1504.04350

[40] Guang Hao Lowand Isaac L. Chuang "شبیه سازی بهینه همیلتونی توسط پردازش سیگنال کوانتومی" فیزیک. کشیش لِت 118, 010501 (2017).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.118.010501

[41] Franz Lemmermeyer "الگوریتم اقلیدسی در زمینه های اعداد جبری" Expositiones Mathematicae 13, 385-416 (1995).

[42] HW Lenstra "برنامه نویسی عدد صحیح با تعداد ثابت متغیرها" ریاضیات تحقیقات عملیات 8، 538-548 (1983).
https://doi.org/​10.1287/​moor.8.4.538

[43] دانیل لیتینسکی "بازی کدهای سطحی: محاسبات کوانتومی در مقیاس بزرگ با جراحی شبکه" Quantum 3, 128 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-03-05-128

[44] AK Lenstra، HW Lenstra، و L. Lovász، "فاکتورگیری چند جمله ای ها با ضرایب گویا" Mathematische Annalen 261، 515-534 (1982).
https://doi.org/​10.1007/​BF01457454

[45] A. Lubotzky, R. Phillips, and P. Sarnak, "Ramanujan graphs" Combinatorica 8, 261-277 (1988).
https://doi.org/​10.1007/​BF02126799

[46] Easwar Magesan، Jay M. Gambetta، و Joseph Emerson، "مشخص کردن دروازه های کوانتومی از طریق معیارهای تصادفی" Phys. Rev. A 85, 042311 (2012).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.85.042311

[47] امانوئل مالوتی، رابان ایتن و راجر کولبک، "مدارهای کوانتومی برای ایزومتریک های پراکنده" کوانتوم 5، 412 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-03-15-412

[48] Michael A. Nielsenand Isaac L. Chuang "محاسبات کوانتومی و اطلاعات کوانتومی" انتشارات دانشگاه کمبریج (2012).
https://doi.org/​10.1017/​CBO9780511976667

[49] نوت بوک مدارهای کوانتومی کوتاهتر (2023).
https:/​/​github.com/​microsoft/​Quantum/​blob/​a57178163b64a060d37603355c8a78571075f679/​samples/​azure-quantum/​shorter-quantum-circuits/​shorter-quantum-circuits-dataset.ipynb

[50] گابریل نبه، اریک ام. رینز، و نیل جی اسلون، "گروه های واقعی و پیچیده کلیفورد" اسپرینگر برلین هایدلبرگ (2006).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​3-540-30731-1_6

[51] یونسونگ نام، یوان سو و دیمیتری ماسلوف، «تبدیل فوریه کوانتومی تقریبی با دروازه‌های O(n log(n)) T» npj اطلاعات کوانتومی 6، 26 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0257-5

[52] کریستف پتیت، کریستین لاتر و ژان ژاک کویسکوتر، "تحلیل رمز کامل LPS و توابع هش مورگنسترن" (2008).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-540-85855-3_18

[53] ادواردو کاروالیو پینتو و کریستوف پتی "الگوریتم های مسیریابی بهتر در نمودارهای LPS Ramanujan" مجله رمز شناسی ریاضی 12، 191-202 (2018).
https://doi.org/​10.1515/​jmc-2017-0051

[54] Adam Paetznickand Krysta M. Svore "تکرار تا موفقیت: تجزیه غیر قطعی واحدهای تک کیوبیتی" اطلاعات کوانتومی و محاسبات 14، 1277-1301 (2014).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1311.1074
arXiv: 1311.1074

[55] Ori Parzanchevskiand Peter Sarnak "Super-Golden-Gates for PU(2)" Advances in Mathematics 327, 869–901 (2018) جلد ویژه بزرگداشت دیوید کژدان.
https://doi.org/​10.1016/​j.aim.2017.06.022

[56] Neil J. Ross “Optimal Ancilla-Free Clifford+V Approximation of Z-rotations” اطلاعات کوانتومی. محاسبه کنید. 15, 932-950 (2015).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1409.4355

[57] Neil J. Rossand Peter Selinger "تقریبی بهینه Clifford+T بدون حلقه از چرخش z" اطلاعات و محاسبات کوانتومی 15، 932-950 (2015).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1403.2975
arXiv: 1403.2975

[58] پیتر سرناک "نامه ای به آرونسون و پولینگتون در مورد قضیه سولوای-کیتایف و گلدن گیت، 2015".
http://publications.ias.edu/​sarnak/​paper/​2637

[59] ناصر تی سرداری "پیچیدگی تقریب قوی در کره" اعلامیه های تحقیقات بین المللی ریاضیات 2021، 13839-13866 (2021).
https://doi.org/​10.1093/​imrn/​rnz233

[60] پیتر سلینگر "تقریب کارآمد کلیفورد + تی عملگرهای تک کیوبیتی" اطلاعات و محاسبات کوانتومی 15، 159-180 (2015).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1212.6253
arXiv: 1212.6253

[61] ارتباط خصوصی Zachary Stier (2020).

[62] Jean-Pierre Tillichand Gilles Zémor "برخورد برای تابع هش گراف بسط دهنده LPS" کنفرانس بین المللی سالانه درباره تئوری و کاربردهای تکنیک های رمزنگاری 254-269 (2008).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-540-78967-3_15

[63] جان وویت "جبرهای کواترنیون" انتشارات بین المللی اسپرینگر (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-030-56694-4

[64] لارنس سی. واشنگتن "مقدمه ای بر میدان های سیکلوتومیک" اسپرینگر نیویورک (1997).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-1-4612-1934-7

[65] جان واتروس "نظریه اطلاعات کوانتومی" انتشارات دانشگاه کمبریج (2018).
https://doi.org/​10.1017/​9781316848142

[66] Paul Websterand Stephen D. Bartlett "دروازه های کوانتومی مقاوم به خطا با نقص در کدهای تثبیت کننده توپولوژیکی" Phys. Rev. A 102, 022403 (2020).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.102.022403

ذکر شده توسط

[1] دانیل لیتینسکی و نائومی نیکرسون، "حجم فعال: معماری برای کامپیوترهای کوانتومی مقاوم به خطا کارآمد با اتصالات غیر محلی محدود". arXiv: 2211.15465, (2022).

[2] پاسکال باسلر، ماتیاس زیپر، کریستوفر سزیچ، مارکوس هاینریش، پاتریک اچ. هوبر، مایکل یوهانینگ و مارتین کلیش، "سنتز و تلفیقی با دروازه های چند کیوبیتی بهینه زمان". Quantum 7, 984 (2023).

[3] سیسکی آکیبوه، گو کاتو، و سیچیرو تانی، «سنتز واحد احتمالی با دقت بهینه»، arXiv: 2301.06307, (2023).

[4] توماس لوبینسکی، کاساندرا گراناد، آموس اندرسون، آلن گلر، مارتین روتلر، آندری پترنکو و بتینا هیم، "پیشرفت محاسبات ترکیبی کوانتومی کلاسیک با اجرای بلادرنگ". Frontiers in Physics 10, 940293 (2022).

[5] سیسکی آکیبوه، گو کاتو، و سیچیرو تانی، "سنتز حالت احتمالی بر اساس تقریب محدب بهینه"، arXiv: 2303.10860, (2023).

نقل قول های بالا از SAO/NASA Ads (آخرین به روز رسانی با موفقیت 2023-12-19 01:59:59). فهرست ممکن است ناقص باشد زیرا همه ناشران داده های استنادی مناسب و کاملی را ارائه نمی دهند.

On سرویس استناد شده توسط Crossref هیچ داده ای در مورد استناد به آثار یافت نشد (آخرین تلاش 2023-12-19 01:59:58).

تمبر زمان:

بیشتر از مجله کوانتومی