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Otimização dependente do estado inicial de operações de portão controlado com computador quântico

Carimbo de data / hora: 8 de setembro de 2022 9:43

Wonho Jang1, Koji Terashi2, Masahiko Saito2, Christian W. Bauer3, Benjamim Nachman3, Yutaro Iiyama2, Ryunosuke Okubo1e Ryu Sawada2

1Departamento de Física, Universidade de Tóquio, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tóquio 113-0033, Japão
2Centro Internacional de Física de Partículas Elementares (ICEPP), Universidade de Tóquio, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tóquio 113-0033, Japão
3Divisão de Física, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, Berkeley, CA 94720, EUA

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Sumário

Não existe uma maneira única de codificar um algoritmo quântico em um circuito quântico. Com contagens de qubits, conectividade e tempos de coerência limitados, uma otimização do circuito quântico é essencial para fazer o melhor uso dos dispositivos quânticos de curto prazo. Apresentamos um novo otimizador de circuito chamado AQCEL, que visa remover operações controladas redundantes de portas controladas, dependendo dos estados iniciais do circuito. Especialmente, o AQCEL pode remover controles de qubit desnecessários de portas multicontroladas em recursos computacionais polinomiais, mesmo quando todos os qubits relevantes estão emaranhados, identificando estados de base computacional de amplitude zero usando um computador quântico. Como referência, o AQCEL é implantado em um algoritmo quântico projetado para modelar a radiação do estado final em física de altas energias. Para este benchmark, demonstramos que o circuito otimizado para AQCEL pode produzir estados finais equivalentes com um número muito menor de portas. Além disso, ao implantar AQCEL com um computador quântico ruidoso de escala intermediária, ele produz eficientemente um circuito quântico que se aproxima do circuito original com alta fidelidade, truncando estados de base computacional de baixa amplitude abaixo de certos limites. Nossa técnica é útil para uma ampla variedade de algoritmos quânticos, abrindo novas possibilidades para simplificar ainda mais os circuitos quânticos para serem mais eficazes para dispositivos reais.

Resumo popular

Em uma computação quântica baseada em circuito, um algoritmo quântico precisa primeiro ser codificado em um circuito quântico para ser executado em hardware quântico. Esta etapa é crucial, mas não existe uma maneira única de fazer isso de forma eficiente. Neste artigo, apresentamos uma nova ferramenta chamada AQCEL, que visa melhorar a codificação de circuitos simplificando um conjunto de portas quânticas usadas para implementar um algoritmo quântico. O AQCEL é um otimizador de circuito “dependente do estado inicial”: quando um algoritmo original é projetado para funcionar com diferentes estados iniciais de um circuito quântico, o AQCEL tenta otimizar o circuito removendo portas quânticas ou controles qubit desnecessários, dependendo de um específico. estado inicial em tempo de execução. O AQCEL faz isso focando nas portas multicontroladas do circuito, decompondo-as e eliminando operações desnecessárias em tempo polinomial, com base na medição de estados básicos computacionais com hardware quântico. O AQCEL é implantado em um algoritmo quântico para modelar um processo fundamental na física de altas energias chamado chuveiro parton. Demonstramos que o AQCEL produz eficientemente um circuito quântico de menor profundidade em relação ao original. Além disso, o AQCEL pode aproximar o estado final original com alta fidelidade, resultando em uma precisão significativamente melhorada do estado final produzido, quando implantado com um computador quântico supercondutor de escala intermediária barulhento. Esta técnica é aplicável a uma ampla gama de algoritmos quânticos, abrindo novas possibilidades para melhorar ainda mais a codificação do algoritmo quântico em circuitos quânticos para dispositivos reais.

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arXiv: 2006.01805

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