Abstraqt: Analys av kvantkretsar via abstrakt stabilisatorsimulering

Abstraqt: Analys av kvantkretsar via abstrakt stabilisatorsimulering

Tidsstämpel: 20 november 2023 10:17

Benjamin Bichsel, Anouk Paradis, Maximilian Baader och Martin Vechev

ETH Zürich, Schweiz

Hitta det här uppsatsen intressant eller vill diskutera? Scite eller lämna en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Stabilisatorsimulering kan effektivt simulera en viktig klass av kvantkretsar som uteslutande består av Clifford-grindar. Men alla befintliga utökningar av denna simulering till godtyckliga kvantkretsar inklusive icke-Clifford-grindar lider av en exponentiell körtid.
För att möta denna utmaning presenterar vi ett nytt tillvägagångssätt för effektiv stabilisatorsimulering på godtyckliga kvantkretsar, till bekostnad av förlorad precision. Vår nyckelidé är att komprimera en exponentiell summarepresentation av kvanttillståndet till en enda $abstract$ summa som täcker (åtminstone) alla förekommande summeringar. Detta tillåter oss att introducera en $textit{abstrakt stabilisatorsimulator}$ som effektivt manipulerar abstrakta summeringar genom att $överapproximera effekten av kretsoperationer inklusive Clifford-grindar, icke-Clifford-grindar och (interna) mätningar.
Vi implementerade vår abstrakta simulator i ett verktyg som heter Abstraqt och demonstrerar experimentellt att Abstraqt kan etablera kretsegenskaper som är svårhanterliga för befintliga tekniker.

Abstraqt: Analys av kvantkretsar via abstrakt stabilisatorsimulering PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikal sökning. Ai.

Utvald bild: Abstraqt komprimerar en exponentiell summarepresentation av kvanttillståndet till en enda abstrakt summa.

► BibTeX-data

► Referenser

[1] Daniel Gottesman. "Heisenbergs representation av kvantdatorer". Teknisk rapport arXiv:quant-ph/​9807006. arXiv (1998).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​9807006
arXiv: kvant-ph / 9807006

[2] Scott Aaronson och Daniel Gottesman. "Förbättrad simulering av stabilisatorkretsar". Physical Review A 70, 052328 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.70.052328

[3] Robert Rand, Aarthi Sundaram, Kartik Singhal och Brad Lackey. "Utvidgar gottesman-typer bortom cliffordgruppen". I den andra internationella workshopen om programmeringsspråk för kvantberäkning (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] Aleks Kissinger och John van de Wetering. "Simulering av kvantkretsar med ZX-kalkyl reducerad stabilisatornedbrytning". Quantum Science and Technology 7, 044001 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ac5d20

[5] Sergey Bravyi, Dan Browne, Padraic Calpin, Earl Campbell, David Gosset och Mark Howard. "Simulering av kvantkretsar genom låggradiga stabilisatornedbrytningar". Quantum 3, 181 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-09-02-181

[6] Hakop Pashayan, Oliver Reardon-Smith, Kamil Korzekwa och Stephen D. Bartlett. "Snabb uppskattning av utfallssannolikheter för kvantkretsar". PRX Quantum 3, 020361 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.020361

[7] "Klassisk simulering av kvantkretsar med partiella och grafiska stabilisatorupplösningar". Schloss Dagstuhl – Leibniz-Zentrum für Informatik (2022).
https://​/​doi.org/​10.4230/​LIPICS.TQC.2022.5

[8] Patrick Cousot och Radhia Cousot. "Abstrakt tolkning: En enhetlig gittermodell för statisk analys av program genom konstruktion eller approximation av fixpunkter". I samband med det 4:e ACM SIGACT-SIGPLAN-symposiet om principer för programmeringsspråk. Sidorna 238–252. POPL ’77New York, NY, USA (1977). ACM.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 512950.512973

[9] Patrick Cousot och Radhia Cousot. "Abstrakta tolkningsramar". Journal of logic and computation 2, 511–547 (1992).
https://​/​doi.org/​10.1093/​logcom/​2.4.511

[10] Bruno Blanchet, Patrick Cousot, Radhia Cousot, Jérome Feret, Laurent Mauborgne, Antoine Miné, David Monniaux och Xavier Rival. "En statisk analysator för stor säkerhetskritisk programvara". ACM SIGPLAN Notices 38, 196–207 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 780822.781153

[11] Francesco Logozzo och Manuel Fähndrich. "Pentagons: En svagt relationell abstrakt domän för effektiv validering av matrisåtkomster". Science of Computer Programming 75, 796–807 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.scico.2009.04.004

[12] Timon Gehr, Matthew Mirman, Dana Drachsler-Cohen, Petar Tsankov, Swarat Chaudhuri och Martin Vechev. "AI2: Säkerhets- och robusthetscertifiering av neurala nätverk med abstrakt tolkning". 2018 IEEE Symposium on Security and Privacy (SP). Sidorna 3–18. San Francisco, Kalifornien (2018). IEEE.
https: / / doi.org/ 10.1109 / SP.2018.00058

[13] Michael A. Nielsen och Isaac L. Chuang. "Kvantberäkning och kvantinformation: 10-årsjubileumsutgåva". Cambridge University Press. (2010).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[14] Gadi Aleksandrowicz, Thomas Alexander, Panagiotis Barkoutsos, Luciano Bello, Yael Ben-Haim, David Bucher, Francisco Jose Cabrera-Hernández, Jorge Carballo-Franquis, Adrian Chen, Chun-Fu Chen, Jerry M. Chow, Antonio D. Córcoles-Gonzales , Abigail J. Cross, Andrew Cross, Juan Cruz-Benito, Chris Culver, Salvador De La Puente González, Enrique De La Torre, Delton Ding, Eugene Dumitrescu, Ivan Duran, Pieter Eendebak, Mark Everitt, Ismael Faro Sertage, Albert Frisch, Andreas Fuhrer, Jay Gambetta, Borja Godoy Gago, Juan Gomez-Mosquera, Donny Greenberg, Ikko Hamamura, Vojtech Havlicek, Joe Hellmers, Łukasz Herok, Hiroshi Horii, Shaohan Hu, Takashi Imamichi, Toshinari Itoko, Kan Ali Javadi-Abharazi, Naok Anton Karazeev, Kevin Krsulich, Peng Liu, Yang Luh, Yunho Maeng, Manoel Marques, Francisco Jose Martín-Fernández, Douglas T. McClure, David McKay, Srujan Meesala, Antonio Mezzacapo, Nikolaj Moll, Diego Moreda Rodríguez, Giacomo Nannicini, Paul Nation , Pauline Ollitrault, Lee James O'Riordan, Hanhee Paik, Jesús Pérez, Anna Phan, Marco Pistoia, Viktor Prutyanov, Max Reuter, Julia Rice, Abdón Rodríguez Davila, Raymond Harry Putra Rudy, Mingi Ryu, Ninad Sathaye, Chris Schnabel, Eddie Schoute, Kanav Setia, Yunong Shi, Adenilton Silva, Yukio Siraichi, Seyon Sivarajah, John A. Smolin, Mathias Soeken, Hitomi Takahashi, Ivano Tavernelli, Charles Taylor, Pete Taylour, Kenso Trabing, Matthew Treinish, Wes Turner, Desiree Vogt-Lee , Christophe Vuillot, Jonathan A. Wildstrom, Jessica Wilson, Erick Winston, Christopher Wood, Stephen Wood, Stefan Wörner, Ismail Yunus Akhalwaya och Christa Zoufal. "Qiskit: Ett ramverk med öppen källkod för kvantberäkning" (2019).

[15] Charles R. Harris, K. Jarrod Millman, Stéfan J. van der Walt, Ralf Gommers, Pauli Virtanen, David Cournapeau, Eric Wieser, Julian Taylor, Sebastian Berg, Nathaniel J. Smith, Robert Kern, Matti Picus, Stephan Hoyer, Marten H. van Kerkwijk, Matthew Brett, Allan Haldane, Jaime Fernández del Río, Mark Wiebe, Pearu Peterson, Pierre Gérard-Marchant, Kevin Sheppard, Tyler Reddy, Warren Weckesser, Hameer Abbasi, Christoph Gohlke och Travis E. Oliphant. "Arrayprogrammering med NumPy". Nature 585, 357–362 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-020-2649-2

[16] Siu Kwan Lam, Antoine Pitrou och Stanley Seibert. "Numba: en LLVM-baserad Python JIT-kompilator". I Proceedings of the Second Workshop om LLVM-kompilatorinfrastrukturen i HPC. Sidorna 1–6. LLVM ’15New York, NY, USA (2015). Föreningen för Datormaskiner.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 2833157.2833162

[17] Craig Gidney. "Stim: en snabb stabilisatorkretssimulator". Quantum 5, 497 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-07-06-497

[18] Henry S. Warren. "Hackers glädje". Addison-Wesley Professional. (2012). 2:a upplagan.
https: / / doi.org/ 10.5555 / 2462741

[19] Aleks Kissinger och John van de Wetering. "PyZX: Large Scale Automated Diagrammatic Reasoning". I Bob Coecke och Matthew Leifer, redaktörer, Proceedings 16th International Conference on Quantum Physics and Logic, Chapman University, Orange, CA, USA., 10-14 juni 2019. Volym 318 av Electronic Proceedings in Theoretical Computer Science, sidorna 229–241. Open Publishing Association (2020).
https: / ⠀ </ ⠀ <doi.org/†<10.4204 / ⠀ <EPTCS.318.14

[20] Matthew Amy. "Mot storskalig funktionell verifiering av universella kvantkretsar". Electronic Proceedings in Theoretical Computer Science 287, 1–21 (2019).
https: / ⠀ </ ⠀ <doi.org/†<10.4204 / ⠀ <EPTCS.287.1

[21] Nengkun Yu och Jens Palsberg. "Quantum abstrakt tolkning". I samband med den 42:a ACM SIGPLAN International Conference on Programming Language Design and Implementation. Sidorna 542–558. PLDI 2021New York, NY, USA (2021). Föreningen för Datormaskiner.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3453483.3454061

[22] Antoine Miné. "Svagt relationella numeriska abstrakta domäner". Doktorsavhandling (2004). url: https://​/​www-apr.lip6.fr/​mine/​these/​these-color.pdf.
https://​/​www-apr.lip6.fr/​~mine/​these/​these-color.pdf

[23] Simon Perdrix. "Quantum Entanglement Analysis Based on Abstrakt tolkning". I samband med det 15:e internationella symposiet om statisk analys. Sidorna 270–282. SAS ’08Berlin, Heidelberg (2008). Springer-Verlag.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-540-69166-2_18

[24] Kentaro Honda. "Analys av kvantentanglement i kvantprogram med hjälp av stabilisatorformalism". Electronic Proceedings in Theoretical Computer Science 195 (2015).
https: / ⠀ </ ⠀ <doi.org/†<10.4204 / ⠀ <EPTCS.195.19

[25] Kesha Hietala, Robert Rand, Shih-Han Hung, Liyi Li och Michael Hicks. "Bevisa att kvantprogram är korrekta". Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs) 193, 21:1–21:19 (2021).
https://​/​doi.org/​10.4230/​LIPIcs.ITP.2021.21

[26] Christophe Chareton, Sébastien Bardin, François Bobot, Valentin Perrelle och Benoît Valiron. "Ett automatiserat deduktivt verifieringsramverk för kretsbyggande kvantprogram". I programmeringsspråk och system. Sidorna 148–177. Springer International Publishing (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-030-72019-3_6

[27] Mingsheng Ying, Shenggang Ying och Xiaodi Wu. "Invarianter av kvantprogram: Karakteriseringar och generation". SIGPLAN Inte. 52, 818–832 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3093333.3009840

Citerad av

Det gick inte att hämta Crossref citerade data under sista försök 2023-11-20 15:19:03: Det gick inte att hämta citerade data för 10.22331 / q-2023-11-20-1185 från Crossref. Detta är normalt om DOI registrerades nyligen. På SAO / NASA ADS Inga uppgifter om citerande verk hittades (sista försök 2023-11-20 15:19:04).

Detta papper publiceras i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Upphovsrätten kvarstår med de ursprungliga upphovsrättsinnehavarna som författarna eller deras institutioner.

Tidsstämpel:

Mer från Quantum Journal