Аннотация: Анализ квантовых схем с помощью моделирования абстрактного стабилизатора

Аннотация: Анализ квантовых схем с помощью моделирования абстрактного стабилизатора

Бенджамин Бичсель, Анук Паради, Максимилиан Баадер и Мартин Вечев

ETH Zurich, Швейцария

Находите эту статью интересной или хотите обсудить? Scite или оставить комментарий на SciRate.

Абстрактные

Моделирование стабилизатора может эффективно моделировать важный класс квантовых схем, состоящий исключительно из вентилей Клиффорда. Однако все существующие расширения этого моделирования для произвольных квантовых схем, включая неклиффордовские вентили, страдают от экспоненциального времени выполнения.
Чтобы решить эту проблему, мы представляем новый подход к эффективному моделированию стабилизаторов на произвольных квантовых схемах за счет потери точности. Наша ключевая идея состоит в том, чтобы сжать представление квантового состояния экспоненциальной суммой в одно $абстрактное$ слагаемое, охватывающее (по крайней мере) все встречающиеся слагаемые. Это позволяет нам представить $textit{симулятор абстрактного стабилизатора}$, который эффективно манипулирует абстрактными слагаемыми, $чрезмерно аппроксимируя$ эффект операций схемы, включая элементы Клиффорда, не-Клиффорда элементы и (внутренние) измерения.
Мы реализовали наш абстрактный симулятор в инструменте под названием Abstraqt и экспериментально продемонстрировали, что Abstraqt может устанавливать свойства схемы, недоступные для существующих методов.

► Данные BibTeX

► Рекомендации

[1] Дэниел Готтесман. «Гейзенберговское представление квантовых компьютеров». Технический отчет arXiv:quant-ph/​9807006. арXiv (1998).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​9807006
Arxiv: колич-фот / 9807006

[2] Скотт Ааронсон и Дэниел Готтесман. «Улучшенное моделирование схем стабилизатора». Физическое обозрение А 70, 052328 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.70.052328

[3] Роберт Рэнд, Аарти Сундарам, Картик Сингхал и Брэд Лэки. «Распространение типов готтсмана за пределы группы Клиффорда». На втором международном семинаре по языкам программирования для квантовых вычислений (PLanQC 2021). (2021). URL: https://pldi21.sigplan.org/details/planqc-2021-papers/9/Extending-Gottesman-Types-Beyond-the-Clifford-Group.
https://pldi21.sigplan.org/details/planqc-2021-papers/9/Extending-Gottesman-Types-Beyond-the-Clifford-Group

[4] Алекс Киссинджер и Джон ван де Ветеринг. «Моделирование квантовых схем с помощью ZX-исчисления, уменьшающего разложение стабилизатора». Квантовая наука и технология 7, 044001 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ac5d20

[5] Сергей Бравый, Дэн Браун, Падрайк Кальпин, Эрл Кэмпбелл, Дэвид Госсет и Марк Ховард. «Моделирование квантовых схем с помощью разложений стабилизаторов низкого ранга». Квант 3, 181 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-09-02-181

[6] Акоп Пашаян, Оливер Рирдон-Смит, Камил Корзеква и Стивен Д. Бартлетт. «Быстрая оценка вероятностей результатов для квантовых схем». PRX Quantum 3, 020361 (2022 г.).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.020361

[7] «Классическое моделирование квантовых схем с частичным и графическим разложением стабилизатора». Замок Дагштуль – Центр информатики Лейбница (2022 г.).
https://​/​doi.org/​10.4230/​LIPICS.TQC.2022.5

[8] Патрик Кузо и Радия Кузо. «Абстрактная интерпретация: унифицированная решетчатая модель для статического анализа программ путем построения или аппроксимации фиксированных точек». В материалах 4-го симпозиума ACM SIGACT-SIGPLAN по принципам языков программирования. Страницы 238–252. POPL '77 Нью-Йорк, Нью-Йорк, США (1977). АКМ.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 512950.512973

[9] Патрик Кузо и Радия Кузо. «Абстрактные рамки интерпретации». Журнал логики и вычислений 2, 511–547 (1992).
https://doi.org/10.1093/logcom/2.4.511

[10] Брюно Бланше, Патрик Кузо, Радия Кузо, Жером Фере, Лоран Моборн, Антуан Мине, Давид Моннио и Ксавье Риваль. «Статический анализатор для крупного критически важного с точки зрения безопасности программного обеспечения». Уведомления ACM SIGPLAN 38, 196–207 (2003 г.).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 780822.781153

[11] Франческо Логоццо и Мануэль Фендрих. «Пентагоны: слабореляционная абстрактная область для эффективной проверки доступа к массиву». Наука компьютерного программирования 75, 796–807 (2010).
https://doi.org/10.1016/j.scico.2009.04.004

[12] Тимон Гер, Мэтью Мирман, Дана Драхслер-Коэн, Петар Цанков, Сварат Чаудхури и Мартин Вечев. «AI2: Сертификация безопасности и устойчивости нейронных сетей с абстрактной интерпретацией». На симпозиуме IEEE по безопасности и конфиденциальности (SP) в 2018 году. Страницы 3–18. Сан-Франциско, Калифорния (2018). IEEE.
https: / / doi.org/ 10.1109 / SP.2018.00058

[13] Майкл А. Нильсен и Исаак Л. Чуанг. «Квантовые вычисления и квантовая информация: выпуск к 10-летию». Издательство Кембриджского университета. (2010).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[14] Гади Александрович, Томас Александер, Панайотис Баркуцос, Лучано Белло, Яэль Бен-Хаим, Дэвид Бухер, Франсиско Хосе Кабрера-Эрнандес, Хорхе Карбальо-Франкис, Адриан Чен, Чун-Фу Чен, Джерри М. Чоу, Антонио Д. Корколес-Гонсалес Эбигейл Дж. Кросс, Эндрю Кросс, Хуан Крус-Бенито, Крис Калвер, Сальвадор Де Ла Пуэнте Гонсалес, Энрике Де Ла Торре, Делтон Динг, Юджин Думитреску, Иван Дюран, Питер Эндебак, Марк Эверитт, Исмаэль Фаро Сертаж, Альберт Фриш, Андреас Фюрер, Джей Гамбетта, Борха Годой Гаго, Хуан Гомес-Москера, Донни Гринберг, Икко Хамамура, Войтех Хавличек, Джо Хеллмерс, Лукаш Херок, Хироши Хории, Шаохан Ху, Такаши Имамичи, Тошинари Итоко, Али Джавади-Абхари, Наоки Канадзава, Антон Каразеев, Кевин Крсулич, Пэн Лю, Ян Лу, Юнхо Маенг, Маноэль Маркес, Франсиско Хосе Мартин-Фернандес, Дуглас Т. МакКлюр, Дэвид МакКэй, Сруджан Мисала, Антонио Меццакапо, Николай Молл, Диего Мореда Родригес, Джакомо Нанницини, Пол Нэйшн Полин Оллитро, Ли Джеймс О'Риордан, Ханхи Пайк, Хесус Перес, Анна Фан, Марко Пистойя, Виктор Прутьянов, Макс Рейтер, Джулия Райс, Абдон Родригес Давила, Рэймонд Гарри Путра Руди, Минги Рю, Нинад Сатай, Крис Шнабель, Эдди Скоуте, Канав Сетиа, Юнонг Ши, Аденилтон Сильва, Юкио Сираичи, Сейон Сивараджа, Джон А. Смолин, Матиас Соекен, Хитоми Такахаши, Ивано Тавернелли, Чарльз Тейлор, Пит Тейлор, Кенсо Трабинг, Мэттью Трейниш, Уэс Тернер, Дезире Фогт-Ли , Кристоф Вуйо, Джонатан А. Вильдстрем, Джессика Уилсон, Эрик Уинстон, Кристофер Вуд, Стивен Вуд, Стефан Вернер, Исмаил Юнус Ахалвайя и Криста Зуфаль. «Qiskit: платформа с открытым исходным кодом для квантовых вычислений» (2019).

[15] Чарльз Р. Харрис, К. Джаррод Миллман, Стефан Дж. ван дер Уолт, Ральф Гоммерс, Паули Виртанен, Дэвид Курнапо, Эрик Визер, Джулиан Тейлор, Себастьян Берг, Натаниэль Дж. Смит, Роберт Керн, Матти Пикус, Стефан Хойер, Мартен Х. ван Керквейк, Мэтью Бретт, Аллан Холдейн, Хайме Фернандес дель Рио, Марк Вибе, Пиру Петерсон, Пьер Жерар-Маршан, Кевин Шеппард, Тайлер Редди, Уоррен Векессер, Хамир Аббаси, Кристоф Гольке и Трэвис Э. Олифант. «Программирование массивов с помощью NumPy». Природа 585, 357–362 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-020-2649-2

[16] Сиу Кван Лам, Антуан Питру и Стэнли Зайберт. «Numba: JIT-компилятор Python на основе LLVM». В материалах второго семинара по инфраструктуре компилятора LLVM в HPC. Страницы 1–6. LLVM '15 Нью-Йорк, Нью-Йорк, США (2015). Ассоциация вычислительной техники.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 2833157.2833162

[17] Крэйг Гидни. «Stim: симулятор схемы быстрого стабилизатора». Квант 5, 497 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-07-06-497

[18] Генри С. Уоррен. «Хакерское удовольствие». Аддисон-Уэсли Профессионал. (2012). 2-е издание.
https: / / doi.org/ 10.5555 / 2462741

[19] Алекс Киссинджер и Джон ван де Ветеринг. «PyZX: крупномасштабное автоматизированное графическое рассуждение». Боб Коке и Мэтью Лейфер, редакторы, Труды 16-й Международной конференции по квантовой физике и логике, Университет Чепмена, Ориндж, Калифорния, США, 10–14 июня 2019 г. Том 318 электронных трудов по теоретической информатике, страницы 229–241. Открытое издательское объединение (2020).
https: / / doi.org/ 10.4204 / EPTCS.318.14

[20] Мэтью Эми. «На пути к крупномасштабной функциональной верификации универсальных квантовых схем». Электронные труды по теоретической информатике 287, 1–21 (2019).
https: / / doi.org/ 10.4204 / EPTCS.287.1

[21] Ненгкун Ю и Йенс Палсберг. «Квантовая абстрактная интерпретация». В материалах 42-й Международной конференции ACM SIGPLAN по разработке и реализации языков программирования. Страницы 542–558. PLDI 2021 Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США (2021 г.). Ассоциация вычислительной техники.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3453483.3454061

[22] Антуан Мине. «Слабо реляционные числовые абстрактные области». Кандидатская диссертация (2004). URL: https:/​/​www-apr.lip6.fr/​ mine/​these/​these-color.pdf.
https://www-apr.lip6.fr/~mine/these/these-color.pdf

[23] Саймон Пердрикс. «Квантовый анализ запутанности, основанный на абстрактной интерпретации». В материалах 15-го Международного симпозиума по статическому анализу. Страницы 270–282. SAS '08Берлин, Гейдельберг (2008 г.). Спрингер-Верлаг.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-540-69166-2_18

[24] Кентаро Хонда. «Анализ квантовой запутанности в квантовых программах с использованием формализма стабилизатора». Электронные труды по теоретической информатике 195 (2015).
https: / / doi.org/ 10.4204 / EPTCS.195.19

[25] Кеша Хиетала, Роберт Рэнд, Ши-Хан Хунг, Лийи Ли и Майкл Хикс. «Доказательство правильности квантовых программ». Международные труды Лейбница по информатике (LIPIcs) 193, 21: 1–21: 19 (2021).
https://doi.org/10.4230/LIPIcs.ITP.2021.21

[26] Кристоф Шаретон, Себастьян Барден, Франсуа Бобо, Валентин Перрель и Бенуа Валирон. «Автоматическая система дедуктивной проверки для квантовых программ построения схем». В языках и системах программирования. Страницы 148–177. Международное издательство Springer (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-030-72019-3_6

[27] Миншэн Ин, Шэнган Ин и Сяоди Ву. «Инварианты квантовых программ: характеристики и генерация». СИГПЛАН Нет. 52, 818–832 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3093333.3009840

Цитируется

Не удалось получить Перекрестная ссылка на данные во время последней попытки 2023-11-20 15:19:03: Не удалось получить цитируемые данные для 10.22331 / q-2023-11-20-1185 от Crossref. Это нормально, если DOI был зарегистрирован недавно. На САО / НАСА ADS Данные о цитировании работ не найдены (последняя попытка 2023-11-20 15:19:04).

Отметка времени:

Больше от Квантовый журнал