Compilação de circuitos quânticos e computação híbrida usando computação baseada em Pauli

Compilação de circuitos quânticos e computação híbrida usando computação baseada em Pauli

Carimbo de data / hora: 3 de outubro de 2023 10h58

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

1Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia (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, Brasil

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Sumário

A computação baseada em Pauli (PBC) é conduzida por uma sequência de medições não destrutivas e escolhidas adaptativamente dos observáveis ​​de Pauli. Qualquer circuito quântico escrito em termos do conjunto de portas Clifford+$T$ e tendo portas $t$ $T$ pode ser compilado em um PBC em $t$ qubits. Aqui propomos maneiras práticas de implementar PBC como circuitos quânticos adaptativos e fornecemos código para fazer o processamento lateral clássico necessário. Nossos esquemas reduzem o número de portas quânticas para $O(t^2)$ (de uma escala $O(t^3 / log t)$ anterior) e são discutidas compensações espaço/tempo que levam a uma redução do profundidade de $O(t log t)$ a $O(t)$ dentro de nossos esquemas, ao custo de $t$ qubits auxiliares adicionais. Compilamos exemplos de circuitos quânticos aleatórios e de deslocamento oculto em circuitos PBC adaptativos. Também simulamos a computação quântica híbrida, onde um computador clássico estende efetivamente a memória de trabalho de um pequeno computador quântico em $k$ qubits virtuais, a um custo exponencial em $k$. Nossos resultados demonstram a vantagem prática das técnicas PBC para compilação de circuitos e computação híbrida.

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Imagem em destaque: Em uma computação baseada em Pauli (PBC), a computação é conduzida por uma sequência de no máximo $t$ medições Pauli multiqubit independentes, compatíveis e escolhidas adaptativamente, realizadas em um estado mágico de entrada de $t$ qubits [topo] .
Tal PBC pode ser traduzido de volta em circuitos quânticos (adaptativos), com cada medição de Pauli sendo realizada por uma sequência apropriada de portas de Clifford seguida por uma medição de um único qubit [parte inferior]. Propomos três métodos diferentes para realizar esta tradução de PBC para circuitos quânticos; esta imagem ilustra apenas a primeira delas.
Essas ideias podem ser exploradas para realizar compilação de circuitos e computação híbrida.

[Conteúdo incorporado]

Resumo popular

Espera-se que computadores quânticos de grande escala e tolerantes a falhas resolvam tarefas que estão fora do alcance de seus equivalentes clássicos. Essa perspectiva atraente impulsionou muitas pesquisas recentes nas áreas de informação quântica e computação quântica.
Infelizmente, os dispositivos atuais ainda são um tanto limitados em suas capacidades. Assim, são necessários esquemas inteligentes que nos permitam trocar recursos clássicos por recursos quânticos. Em nosso trabalho, exploramos um modelo universal de computação quântica conhecido como computação baseada em Pauli. Mostramos que este modelo pode ser usado para compilar circuitos quânticos dominados por portas de Clifford, demonstrando economias úteis de recursos quânticos em muitos casos. Também descrevemos ganhos de eficiência na computação quântica híbrida clássica, onde os dois tipos de computadores trabalham juntos para simular um dispositivo quântico maior. Nosso artigo é acompanhado por código Python de acesso aberto que permite aos usuários realizar compilação e computação híbrida em circuitos arbitrários especificados pelo usuário, descritos usando o conjunto de portas Clifford+$T$ comum.
Esperamos que o nosso trabalho seja relevante para aplicações de curto e médio prazo, mas também a longo prazo, uma vez que a otimização de recursos quânticos deve ser de interesse mesmo depois de alcançada a computação quântica tolerante a falhas.

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Citado por

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As citações acima são de SAO / NASA ADS (última atualização com êxito 2023-10-04 03:09:33). A lista pode estar incompleta, pois nem todos os editores fornecem dados de citação adequados e completos.

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