Lyhyemmät kvanttipiirit yhden kubitin portin approksimaatiolla

Lyhyemmät kvanttipiirit yhden kubitin portin approksimaatiolla

Lyhyemmät kvanttipiirit yhden kubitin portin approksimaatiolla PlatoBlockchain Data Intelligence. Pystysuuntainen haku. Ai.

Vadym Kliuchnikov1,2, Kristin Lauter3, Romy Minko4,5, Adam Paetznick1ja Christophe Petit6,7

1Microsoft Quantum, Redmond, WA, Yhdysvallat
2Microsoft Quantum, Toronto, ON, CA
3Facebook AI Research, Seattle, WA, Yhdysvallat
4Oxfordin yliopisto, Oxford, Iso -Britannia
5Heilbronn Institute for Mathematical Research, Bristolin yliopisto, Bristol, Iso-Britannia
6Birminghamin yliopisto, Birmingham, Iso-Britannia
7Université Libre de Bruxelles, Bryssel, Belgia

Onko tämä artikkeli mielenkiintoinen vai haluatko keskustella? Scite tai jätä kommentti SciRate.

Abstrakti

Annamme uuden menetelmän yleisten yksikubitisten unitaarien approksimoimiseksi äärellisestä yleisporttijoukosta vähentämällä ongelma uudeksi suuruusapproksimointiongelmaksi, jolloin saadaan välitön parannus sekvenssin pituuteen kertoimella 7/9. Työn jatkaminen [28] ja [15], osoitamme, että ottamalla kanavien todennäköisyyspohjaiset seokset ratkaistaksesi vara [13] ja suuruusapproksimointiongelmat säästävät kaksinkertaisesti approksimaatiokustannuksissa. Erityisesti Clifford+$sqrt{mathrm{T}}$ porttijoukolla saamme keskimääräisen ei-Clifford-portin määrän $0.23log_2(1/varepsilon)+2.13$ ja T-count $0.56log_2(1/varepsilon)+5.3 $ vaihtelevilla vara-likiarvoilla timanttinormin tarkkuudelle $varepsilon$.
Tämä artikkeli tarjoaa kokonaisvaltaisen yleiskatsauksen portin approksimaatiosta näiden uusien oivallusten lisäksi. Annamme päästä päähän -proseduurin porttiapproksimointiin yleisille porttijoukoille, jotka liittyvät joihinkin kvaternionalgebroihin, tarjoamalla pedagogisia esimerkkejä käyttämällä yleisiä vikasietoisia porttijoukkoja (V, Clifford+T ja Clifford+$sqrt{mathrm{T}}$) . Tarjoamme myös yksityiskohtaisia ​​numeerisia tuloksia Clifford+T- ja Clifford+$sqrt{mathrm{T}}$-porttisarjoista. Pyrimme pitämään paperin itsenäisenä sisällytämme siihen yleiskatsauksen asiaankuuluvista algoritmeista kokonaislukupisteiden laskemiseen ja suhteellisten normiyhtälöiden ratkaisemiseen. Tarjoamme lukuisia lisäsovelluksia suuruusapproksimaatioongelmille sekä parannettuja algoritmeja tarkkaan synteesiin liitteissä.

► BibTeX-tiedot

► Viitteet

[1] Frank Arute, Kunal Arya, Ryan Babbush, Dave Bacon, Joseph C. Bardin, Rami Barends, Rupak Biswas, Sergio Boixo, Fernando G. S. L. Brandao, David A. Buell, Brian Burkett, Yu Chen, Zijun Chen, Ben Chiaro, Roberto Collins, William Courtney, Andrew Dunsworth, Edward Farhi, Brooks Foxen, Austin Fowler, Craig Gidney, Marissa Giustina, Rob Graff, Keith Guerin, Steve Habegger, Matthew P. Harrigan, Michael J. Hartmann, Alan Ho, Markus Hoffmann, Trent Huang, Travis S. Humble, Sergei V. Isakov, Evan Jeffrey, Zhang Jiang, Dvir Kafri, Kostyantyn Kechedzhi, Julian Kelly, Paul V. Klimov, Sergey Knysh, Alexander Korotkov, Fedor Kostritsa, David Landhuis, Mike Lindmark, Erik Lucero, Dmitry Lyakh, Salvatore Mandrà, Jarrod R. McClean, Matthew McEwen, Anthony Megrant, Xiao Mi, Kristel Michielsen, Masoud Mohseni, Josh Mutus, Ofer Naaman, Matthew Neeley, Charles Neill, Murphy Yuezhen Niu, Eric Ostby, Andre Petukhov, John C. Chris Quintana, Eleanor G. Rieffel, Pedram Roushan, Nicholas C. Rubin, Daniel Sank, Kevin J. Satzinger, Vadim Smelyanskiy, Kevin J. Sung, Matthew D. Trevithick, Amit Vainsencher, Benjamin Villalonga, Theodore White, Z. Jamie Yao , Ping Yeh, Adam Zalcman, Hartmut Neven ja John M. Martinis, "Kvanttiylivalta ohjelmoitavalla suprajohtavalla prosessorilla" Nature 574, 505-510 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[2] Wojciech Banaszczyk "Epäyhtälöt konvekseille kappaleille ja polaarisille käänteishiloille in $R^n$" Discrete & Computational Geometry 13, 217–231 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02574039

[3] Adriano Barenco, Charles H. Bennett, Richard Cleve, David P. DiVincenzo, Norman Margolus, Peter Shor, Tycho Sleator, John A. Smolin ja Harald Weinfurter, "Kvanttilaskennan alkeet" Physical Review A 52, 3457–3467 1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.52.3457

[4] Andreas Blass, Alex Bocharov ja Juri Gurevich, "Optimaaliset apulaitteet vapaat Pauli+V-piirit aksiaalisille kierroksille" Journal of Mathematical Physics 56, 122201 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1063 / +1.4936990
arXiv: 1412.1033

[5] Michael Beverland, Earl Campbell, Mark Howard ja Vadym Kliuchnikov, "Kvanttilaskentojen ei-Clifford-resurssien alarajat", Quantum Science and Technology 5, 035009 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ab8963
arXiv: 1904.01124

[6] Michael E. Beverland, Prakash Murali, Matthias Troyer, Krysta M. Svore, Torsten Hoefler, Vadym Kliuchnikov, Guang Hao Low, Mathias Soeken, Aarthi Sundaram ja Alexander Vaschillo, "Assessing requirements to scale to käytännön kvanttietu" (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2211.07629
arXiv: 2211.07629

[7] Jean Bourginand Alex Gamburd "A Spectral Gap Theorem in SU$(d)$" Journal of the European Mathematical Society 14, 1455–1511 (2012).
https: / / doi.org/ 10.4171 / Jems / 337

[8] Alex Bocharov, Juri Gurevich ja Krysta M. Svore, "Efficient Decomposition of Single-Qubit Gates into V Basis Circuits" Physical Review A 88, 1–13 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.88.012313
arXiv: 1303.1411

[9] Sergey Bravyiand Aleksei Kitaev "Universaali kvanttilaskenta ihanteellisilla Clifford-porteilla ja meluisilla lisälaitteilla" Phys. Rev. A 71, 022316 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.71.022316

[10] Sergey Bravyiand Robert König "Topologisesti suojattujen porttien luokitus paikallisia stabilointikoodeja varten" Phys. Rev. Lett. 110, 170503 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.170503

[11] Michael E. Beverland, Aleksander Kubica ja Krysta M. Svore, "Universaalisuuden kustannukset: vertaileva tutkimus valtion tislauksen yleiskustannuksista ja koodinvaihdosta värikoodeilla" PRX Quantum 2, 020341 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020341

[12] Alex Bocharov, Martin Roetteler ja Krysta M Svore, "Efficient Synthesis of Universal Repeat-Until-Success Quantum Circuits" Physical Review Letters 114, 080502 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.080502
arXiv: 1404.5320

[13] Alex Bocharov, Martin Roetteler ja Krysta M. Svore, "Tehokas synteesi todennäköisyyksien kvanttipiireistä varauksella" Physical Review 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 ja Matthias Troyer, "Quantum computing Enhanced computational catalysis" Phys. Rev. Research 3, 033055 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.033055

[15] Earl Campbell "Lyhempiä porttisarjoja kvanttilaskentaan sekoittamalla unitaareja" Physical Review A 95 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042306
arXiv: 1612.02689

[16] Andrew M. Childs, Yuan Su, Minh C. Tran, Nathan Wiebe ja Shuchen Zhu, "Theory of Trotter Error with Commutator Scaling" Phys. Rev. X 11, 011020 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.011020

[17] Denis X. Charles, Kristin E. Lauter ja Eyal Z. Goren, "Cryptographic Hash Functions from Expander Graphs" Journal of Cryptology 22, 93–113 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s00145-007-9002-x

[18] Henri Cohen "Laskennallisen lukuteorian edistyneet aiheet" Springer New York (2000).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-1-4419-8489-0

[19] Henri Cohen "Laskennallisen algebrallisen lukuteorian kurssi" Springer Berlin Heidelberg (1993).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-662-02945-9

[20] Lyhyempi kvanttipiirien tietojoukko (2023).
https://​/​azure-quantum-notebooks.azurefd.net/​publicdata/​shorter-quantum-circuits-dataset.tar

[21] Bryan Eastinand Emanuel Knill "Rajoituksia poikittaiskoodatuille kvanttiporttisarjoille" Phys. Rev. Lett. 102, 110502 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.110502

[22] Simon Forest, David Gosset, Vadym Kliuchnikov ja David McKinnon, "Täsmällinen synteesi yksittäisten qubitin unitaarien yli Clifford-cyclotomic Gate sets" Journal of Mathematical Physics 56, 082201 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1063 / +1.4927100

[23] Daniel Gottesman ja Isaac L. Chuang "Universaalin kvanttilaskennan kannattavuuden osoittaminen teleportaation ja yhden kubitin operaatioiden avulla" Nature 402, 390–393 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1038 / +46503

[24] Craig Gidney ja Austin G. Fowler "Tehokkaat maagiset tehtaat katalysoidulla $|CCZ⟩$ - $2|T⟩$ -muunnos" Quantum 3, 135 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-04-30-135

[25] Joachim von zur Gathenand Jürgen Gerhard "Modern Computer Algebra" Cambridge University Press (2013).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9781139856065

[26] Craig Gidney "Kvanttilisäyksen kustannusten puolittaminen" Quantum 2, 74 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-06-18-74

[27] David Gosset, Vadym Kliuchnikov, Michele Mosca ja Vincent Russo, "Algoritmi T-Countille" Quantum Info. Comput. 14, 1261–1276 (2014).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1308.4134

[28] Matthew B. Hastings "Turning gate synteesivirheet epäkoherentiksi virheiksi" Quantum Information and Computation 17, 488–494 (2017).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1612.01011
arXiv: 1612.01011

[29] Aram W.Harrow, Benjamin Recht ja Isaac L.Chuang, ”Kvanttiporttien tehokkaat erilliset likiarvot” Journal of Mathematical Physics 43, 4445–4451 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1063 / +1.1495899

[30] Kenneth Ireland ja Michael Rosen "Klassinen johdanto nykyaikaiseen lukuteoriaan" Springer New York (1990).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-1-4757-2103-4

[31] Raban Iten, Roger Colbeck, Ivan Kukuljan, Jonathan Home ja Matthias Christandl, "Quantum circuits for isometries" Phys. Rev. A 93, 032318 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.93.032318

[32] Raban Iten, Oliver Reardon-Smith, Emanuel Malvetti, Luca Mondada, Gabrielle Pauvert, Ethan Redmond, Ravjot Singh Kohli ja Roger Colbeck, "Introduction to UniversalQCompiler" (2021).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1904.01072
arXiv: 1904.01072

[33] Nathaniel Johnston, David W. Kribs ja Vern I. Paulsen, "Computing Stabilized Norms for Quantum Operations via the Theory of Completely Bounded Maps" Quantum Info. Comput. 9, 16–35 (2009).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.0711.3636

[34] Aleksandr Yakovlevich Khinchin "Kvantitatiivinen muotoilu Kroneckerin approksimaatioteoriasta" Izvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk. Seriya Matematicheskaya 12, 113–122 (1948).

[35] V Kliuchnikov, A Bocharov, M Roetteler ja J Yard, "A Framework for Approximating Qubit Unitaries" (2015).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1510.03888
arXiv: 1510.03888

[36] Phillip Kaye, Raymond Laflamme ja Michele Mosca, "Johdatus kvanttilaskentaan" Oxford University Press (2006).
https: / / doi.org/ 10.1093 / OSO / 9780198570004.001.0001

[37] V Kliuchnikov, D. Maslov ja M Mosca, "Asymptoottisesti optimaalinen yhden kubitin unitaarien approksimaatio Clifford- ja T-piireillä käyttäen jatkuvaa lisäkubittien lukumäärää" Physical Review Letters 110, 190502 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.190502
arXiv: 1212.0822

[38] Vadym Kliuchnikov, Dmitri Maslov ja Michele Mosca, "Cliffordin ja T Gatesin luomien yhden kubitin yksiköiden nopea ja tehokas täsmällinen synteesi" Quantum Info. Comput. 13, 607–630 (2013).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1206.5236

[39] V Kliuchnikovand J Yard "Tarkkaan synteesin kehys" (2015).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1504.04350
arXiv: 1504.04350

[40] Guang Hao Lowand Isaac L. Chuang "Optimaalinen Hamiltonin simulointi kvanttisignaalinkäsittelyllä" Phys. Rev. Lett. 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501

[41] Franz Lemmermeyer "Euklidinen algoritmi algebrallisissa lukukentissä" Expositiones Mathematicae 13, 385-416 (1995).

[42] H. W. Lenstra "Kokonaislukuohjelmointi kiinteällä määrällä muuttujia" Mathematics of Operations Research 8, 538–548 (1983).
https: / / doi.org/ 10.1287 / moor.8.4.538

[43] Daniel Litinski "Pintakoodien peli: Laajamittainen kvanttilaskenta hilakirurgialla" Quantum 3, 128 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-03-05-128

[44] A. K. Lenstra, H. W. Lenstra ja L. Lovász, "Factoring polynomials with rationaaliset kertoimet" Mathematische Annalen 261, 515–534 (1982).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01457454

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

[46] Easwar Magesan, Jay M. Gambetta ja Joseph Emerson, ”Kvanttiporttien karakterisointi satunnaistetun vertailuanalyysin avulla” Phys. Ilm.A 85, 042311 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.042311

[47] Emanuel Malvetti, Raban Iten ja Roger Colbeck, "Quantum Circuits for Sparse Isometries" Quantum 5, 412 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-03-15-412

[48] Michael A. Nielsenand Isaac L. Chuang "Kvanttilaskenta ja kvanttitieto" Cambridge University Press (2012).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[49] Shorter Quantum Circuits Notebook (2023).
https:/​/​github.com/​microsoft/​Quantum/​blob/​a57178163b64a060d37603355c8a78571075f679/​samples/​azure-quantum/​shorter-quantum-circuits/​shorter-quantum-circuits-dataset.ipynb

[50] Gabriele Nebe, Eric M. Rains ja Neil J.A. Sloane, "Real and Complex Clifford Groups" Springer Berlin Heidelberg (2006).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​3-540-30731-1_6

[51] Yunseong Nam, Yuan Su ja Dmitri Maslov, "Likimääräinen kvantti-Fourier-muunnos O(n log(n)) T-porteilla" npj Quantum Information 6, 26 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0257-5

[52] Christophe Petit, Kristin Lauter ja Jean-Jacques Quisquater, "Full Cryptanalysis of LPS and Morgenstern Hash Functions" (2008).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-540-85855-3_18

[53] Eduardo Carvalho Pinto ja Christophe Petit "Paremmat polun etsintäalgoritmit LPS Ramanujan -kaavioissa" Journal of Mathematical Cryptology 12, 191–202 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1515 / jmc-2017-0051

[54] Adam Paetznickand Krysta M. Svore "Toista-onnistuneeseen: Ei-deterministinen yhden qubit unitien hajottaminen" Quantum Information and Computation 14, 1277–1301 (2014).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1311.1074
arXiv: 1311.1074

[55] Ori Parzanchevski ja Peter Sarnak "Super-Golden-Gates for PU(2)" Advances in Mathematics 327, 869–901 (2018) Erikoisteos David Kazhdanille.
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.aim.2017.06.022

[56] Neil J. Ross "Optimaalinen apuohjelmaton Clifford+V-likiarvo Z-kierroksille" Quantum Info. Comput. 15, 932–950 (2015).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1409.4355

[57] Neil J. Rossand Peter Selinger "Z-rotaatioiden optimaalinen approksimittaus Clifford+T-approksimaatio" Quantum Information & Computation 15, 932–950 (2015).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1403.2975
arXiv: 1403.2975

[58] Peter Sarnak "Kirje Aaronsonille ja Pollingtonille Solvay-Kitaev-lauseesta ja Golden Gatesista, 2015".
http: / / publications.ias.edu/ sarnak / paper / 2637

[59] Naser T Sardari "Vahvan lähentämisen monimutkaisuus pallolla" International Mathematics Research Notices 2021, 13839–13866 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1093/​imrn/​rnz233

[60] Peter Selinger "Yksi kubitin operaattoreiden tehokas Clifford+T approksimaatio" Quantum Information & Computation 15, 159–180 (2015).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1212.6253
arXiv: 1212.6253

[61] Zachary Stier yksityinen viestintä (2020).

[62] Jean-Pierre Tillichand Gilles Zémor "LPS-laajennusgraafin hash-funktion törmäykset" Vuosittainen kansainvälinen kryptografisten tekniikoiden teoria- ja sovelluskonferenssi 254–269 (2008).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-540-78967-3_15

[63] John Voight "Quaternion Algebras" Springer International Publishing (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-030-56694-4

[64] Lawrence C. Washington "Johdatus syklotomisiin kenttiin" Springer New York (1997).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-1-4612-1934-7

[65] John Watrous "Kvanttitiedon teoria" Cambridge University Press (2018).
https: / / doi.org/ 10.1017 / +9781316848142

[66] Paul Webster ja Stephen D. Bartlett "Vikasietoiset kvanttiportit, joissa on vikoja topologisissa stabilointikoodeissa" Phys. Rev. A 102, 022403 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.022403

Viitattu

[1] Daniel Litinski ja Naomi Nickerson, "Aktiivinen volyymi: Arkkitehtuuri tehokkaille vikasietoisille kvanttitietokoneille rajoitetuilla ei-paikallisilla yhteyksillä", arXiv: 2211.15465, (2022).

[2] Pascal Baßler, Matthias Zipper, Christopher Cedzich, Markus Heinrich, Patrick H. Huber, Michael Johanning ja Martin Kliesch, "Synthesis of and compilation with time-optimal multi-qubit gates" Kvantti 7, 984 (2023).

[3] Seiseki Akibue, Go Kato ja Seiichiro Tani, "Probabilistinen unitaarinen synteesi optimaalisella tarkkuudella", arXiv: 2301.06307, (2023).

[4] Thomas Lubinski, Cassandra Granade, Amos Anderson, Alan Geller, Martin Roetteler, Andrei Petrenko ja Bettina Heim, "Advancing hybrid quantum-classical computing with real-time execution", Fysiikan rajat 10, 940293 (2022).

[5] Seiseki Akibue, Go Kato ja Seiichiro Tani, "Todennäköisyyspohjainen tilasynteesi perustuu optimaaliseen konveksiin approksimaatioon", arXiv: 2303.10860, (2023).

Yllä olevat sitaatit ovat peräisin SAO: n ja NASA: n mainokset (viimeksi päivitetty onnistuneesti 2023-12-19 01:59:59). Lista voi olla puutteellinen, koska kaikki julkaisijat eivät tarjoa sopivia ja täydellisiä viittaustietoja.

On Crossrefin siteerattu palvelu tietoja teosten viittaamisesta ei löytynyt (viimeinen yritys 2023-12-19 01:59:58).

Aikaleima:

Lisää aiheesta Quantum Journal