1Dipartimento di Fisica e Centro per l'informatica quantistica avanzata, Università di Tamkang, 151 Yingzhuan Rd., New Taipei City 25137, Taiwan, ROC
2Divisione di Fisica, Centro Nazionale per le Scienze Teoriche, Taipei 10617, Taiwan, ROC
3Università di Tokyo, Hongo 7-3-1, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033, Giappone
4Divisione di ricerca sui principi dell'informatica, Istituto nazionale di informatica, 2-1-2 Hitotsubashi, Chiyoda-ku, Tokyo 101-8430, Giappone
5Department of Informatics, School of Multidisciplinary Sciences, SOKENDAI (The Graduate University for Advanced Studies), 2-1-2 Hitotsubashi, Chiyoda-ku, Tokyo 101-8430, Giappone
6Quantinuum, Terrington House, 13-15 Hills Road, Cambridge CB2 1NL, Regno Unito
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Astratto
Nel rumoroso calcolo quantistico su scala intermedia, la scalabilità limitata di una singola unità di elaborazione quantistica (QPU) può essere estesa attraverso il calcolo quantistico distribuito (DQC), in cui è possibile implementare operazioni globali su due QPU mediante operazioni locali assistite da entanglement e comunicazione classica . Per facilitare questo tipo di DQC negli esperimenti, abbiamo bisogno di un protocollo efficiente dall'entanglement. A tal fine, estendiamo il protocollo in [Eisert et. al., PRA, 62:052317(2000)] implementando localmente ciascuna porta unitaria controllata non locale con una coppia massimamente entangled in un protocollo di imballaggio, che può imballare più porte unitarie controllate non locali localmente utilizzando una coppia massimamente entangled. In particolare, vengono introdotti due tipi di processi di imballaggio come elementi costitutivi, vale a dire i processi di distribuzione e i processi di incorporamento. Ciascun processo di distribuzione distribuisce localmente le porte corrispondenti con una coppia entangled. L'efficienza dell'entanglement viene quindi migliorata dai processi di incorporamento, che uniscono due processi di distribuzione non sequenziali e quindi riducono i costi dell'entanglement. Mostriamo che la struttura di distribuibilità e incorporabilità di un circuito quantistico può essere completamente rappresentata dai corrispondenti grafi di impaccamento e grafi di conflitto. Sulla base di questi grafici, deriviamo algoritmi euristici per trovare un imballaggio efficiente in termini di entanglement dei processi di distribuzione per un dato circuito quantistico che deve essere implementato da due parti. Questi algoritmi possono determinare il numero richiesto di qubit ausiliari locali nel DQC. Applichiamo questi algoritmi per DQC bipartito di circuiti unitari a cluster accoppiati e troviamo una significativa riduzione dei costi di entanglement attraverso gli incorporamenti. Questo metodo può determinare un limite superiore costruttivo sul costo di entanglement per il DQC dei circuiti quantistici.
Riepilogo popolare
Nel nostro articolo, viene stabilita un'architettura efficiente dall'entanglement per il calcolo quantistico distribuito bipartito basata sulla scomposizione di un circuito quantistico in un insieme di blocchi distribuibili. In ogni blocco, uno stato al massimo entangled viene consumato per distribuire porte non locali con operazioni locali e comunicazione classica. Nei protocolli precedenti, un processo di distribuzione termina con porte a qubit singolo. Per migliorare l'efficienza dell'entanglement, introduciamo processi di incorporamento per unire due processi di distribuzione non sequenziali in uno solo, risparmiando sulla quantità di entanglement necessaria. Una tale struttura di distribuzione potenziata dall'inclusione di un circuito quantistico può essere completamente descritta da un grafo di impaccamento costituito da vertici che rappresentano i nodi gate che potrebbero essere uniti insieme.
I vertici di un grafo di impaccamento sono i candidati per la distribuzione dei processi. Tuttavia, potrebbero esserci conflitti tra due incorporamenti che ci impediscono di implementarli contemporaneamente. Dobbiamo rimuovere alcuni incorporamenti per risolvere i conflitti, il che porta a una suddivisione dei vertici in un grafo di impaccamento. Un tale conflitto può essere completamente descritto da un grafico di conflitto.
Il grafico di impaccamento e il grafico di conflitto di un circuito descrivono completamente la sua distribuibilità, incorporabilità e incompatibilità. Per determinare il modo migliore per distribuire un circuito, sviluppiamo un algoritmo di impaccamento che tiene conto sia della copertura minima dei vertici del grafo di impaccamento che del corrispondente grafo dei conflitti per trovare una strategia di distribuzione che sia allo stesso tempo efficiente in termini di entanglement e priva di conflitti.
Nel complesso, il nostro protocollo può essere riassunto come un protocollo di “embedding-enhanced-distributing”, che si basa su due tipi di operazioni quantistiche assistite da entanglement, vale a dire processi di distribuzione e processi di embedding. Rispetto ai protocolli precedenti, riduce significativamente la quantità di entanglement richiesta per il calcolo quantistico distribuito, rendendolo più pratico per le applicazioni del mondo reale. Può essere impiegato per determinare un limite superiore costruttivo più stretto sul costo di entanglement per un'unità unitaria scomposta in operazioni locali e comunicazione classica. Il protocollo può essere esteso a sistemi multipartiti e adattato alla topologia di rete per il calcolo quantistico distribuito sull’Internet quantistica. Il protocollo di “embedding-enhanced-distributing” può quindi facilitare il calcolo quantistico su larga scala in una rete quantistica di QPU.
► dati BibTeX
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Citato da
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