Kvantkretskompilering och hybridberäkning med Pauli-baserad beräkning

Kvantkretskompilering och hybridberäkning med Pauli-baserad beräkning

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

1International Iberian Nanotechnology Laboratory (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, Brasilien

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

Abstrakt

Pauli-baserad beräkning (PBC) drivs av en sekvens av adaptivt valda, icke-förstörande mätningar av Pauli observerbara. Alla kvantkretsar som är skrivna i termer av Clifford+$T$ grinduppsättningen och som har $t$ $T$ grindar kan kompileras till en PBC på $t$ qubits. Här föreslår vi praktiska sätt att implementera PBC som adaptiva kvantkretsar och tillhandahåller kod för att göra den klassiska sidobearbetningen som krävs. Våra scheman minskar antalet kvantportar till $O(t^2)$ (från en tidigare $O(t^3 / log t)$-skalning) och rum/tid-avvägningar diskuteras vilket leder till en minskning av djup från $O(t log t)$ till $O(t)$ inom våra scheman, till priset av $t$ ytterligare extra qubits. Vi sammanställer exempel på slumpmässiga och dolda kvantkretsar till adaptiva PBC-kretsar. Vi simulerar också hybrid kvantberäkning, där en klassisk dator effektivt utökar arbetsminnet hos en liten kvantdator med $k$ virtuella qubits, till en kostnad exponentiell i $k$. Våra resultat visar den praktiska fördelen med PBC-tekniker för kretskompilering och hybridberäkning.

[Inbäddat innehåll]

Storskaliga, feltoleranta kvantdatorer förväntas lösa uppgifter som är utom räckhåll för sina klassiska motsvarigheter. Detta lockande perspektiv har drivit fram en hel del nyare forskning inom områdena kvantinformation och kvantberäkning.
Tyvärr är nuvarande enheter fortfarande något begränsade i sina möjligheter. Därför behövs smarta system som gör att vi kan handla klassiskt mot kvantresurser. I vårt arbete utforskar vi en universell modell för kvantberäkning som kallas Pauli-baserad beräkning. Vi visar att denna modell kan användas för att kompilera kvantkretsar som domineras av Clifford-portar, vilket visar användbara kvantresursersbesparingar i många fall. Vi beskriver också effektivitetsvinster i hybrid kvant-klassisk beräkning, där de två typerna av datorer arbetar tillsammans för att simulera en större kvantenhet. Vårt papper åtföljs av Python-kod med öppen åtkomst som tillåter användare att utföra både kompilering och hybridberäkning på godtyckliga användarspecificerade kretsar som beskrivs med den vanliga Clifford+$T$-portuppsättningen.
Vi förväntar oss att vårt arbete är relevant för tillämpningar på kort och medellång sikt, men även på lång sikt, eftersom optimering av kvantresurser bör vara av intresse även efter att feltolerant kvantberäkning har uppnåtts.

► BibTeX-data

► Referenser

[1] Peter W. Shor. "Algorithmer för kvantberäkning: diskreta logaritmer och factoring". I Proceedings 35:e årliga symposium om grunderna för datavetenskap. Sidorna 124–134. IEEE Press, Los Alamitos, CA (1994).
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1994.365700

[2] Seth Lloyd. "Universella kvantsimulatorer". Science 273, 1073-1078 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.273.5278.1073

[3] Aram W. Harrow, Avinatan Hassidim och Seth Lloyd. "Kvantalgoritm för linjära ekvationssystem". Phys. Rev. Lett. 103, 150502 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502

[4] Ashley Montanaro. "Kvantalgoritmer: en översikt". npj Quantum Information 2, 15023 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / npjqi.2015.23

[5] John Preskill. "Quantum Computing i NISQ-eran och därefter". Quantum 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[6] Frank Arute, Kunal Arya, Ryan Babbush, Dave Bacon, Joseph C. Bardin, Rami Barends, Rupak Biswas, Sergio Boixo, Fernando GSL Brandao, David A. Buell, Brian Burkett, Yu Chen, Zijun Chen, Ben Chiaro, Roberto Collins, William Courtney, Andrew Dunsworth, Edward Farhi, Brooks Foxen, Austin Fowler, Craig Gidney, Marissa Giustina, Rob Graff, Keith Guerin, Steve Habegger, Matthew P. Harrigan, Michael J. Hartmann, Alan Ho, Markus Hoffmann, Trent Huang, Travis S. Humble, Sergei V. Isakov, Evan Jeffrey, Zhang Jiang, Dvir Kafri, Kostyantyn Kechedzhi, Julian Kelly, Paul V. Klimov, Sergey Knysh, Alexander Korotkov, Fedor Kostritsa, David Landhuis, Mike Lindmark, Erik Lucero, Dmitry Lyakh, Salvatore Mandrà, Jarrod R. McClean, Matthew McEwen, Anthony Megrant, Xiao Mi, Kristel Michielsen, Masoud Mohseni, Josh Mutus, Ofer Naaman, Matthew Neeley, Charles Neill, Murphy Yuezhen Niu, Eric Ostby, Andre Petukhov, John C. Platt, Chris Quintana, Eleanor G. Rieffel, Pedram Roushan, Nicholas C. Rubin, Daniel Sank, Kevin J. Satzinger, Vadim Smelyanskiy, Kevin J. Sung, Matthew D. Trevithick, Amit Vainsencher, Benjamin Villalonga, Theodore White, Z. Jamie Yao , Ping Yeh, Adam Zalcman, Hartmut Neven och John M. Martinis. "Quantum supremacy med en programmerbar supraledande processor". Nature 574, 505–510 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[7] Han-Sen Zhong, Hui Wang, Yu-Hao Deng, Ming-Cheng Chen, Li-Chao Peng, Yi-Han Luo, Jian Qin, Dian Wu, Xing Ding, Yi Hu, Peng Hu, Xiao-Yan Yang, Wei- Jun Zhang, Hao Li, Yuxuan Li, Xiao Jiang, Lin Gan, Guangwen Yang, Lixing You, Zhen Wang, Li Li, Nai-Le Liu, Chao-Yang Lu och Jian-Wei Pan. "Kvantberäkningsfördel med fotoner". Science 370, 1460–1463 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.abe8770

[8] Yulin Wu, Wan-Su Bao, Sirui Cao, Fusheng Chen, Ming-Cheng Chen, Xiawei Chen, Tung-Hsun Chung, Hui Deng, Yajie Du, Daojin Fan, Ming Gong, Cheng Guo, Chu Guo, Shaojun Guo, Lianchen Han , Linyin Hong, He-Liang Huang, Yong-Heng Huo, Liping Li, Na Li, Shaowei Li, Yuan Li, Futian Liang, Chun Lin, Jin Lin, Haoran Qian, Dan Qiao, Hao Rong, Hong Su, Lihua Sun, Liangyuan Wang, Shiyu Wang, Dachao Wu, Yu Xu, Kai Yan, Weifeng Yang, Yang Yang, Yangsen Ye, Jianghan Yin, Chong Ying, Jiale Yu, Chen Zha, Cha Zhang, Haibin Zhang, Kaili Zhang, Yiming Zhang, Han Zhao , Youwei Zhao, Liang Zhou, Qingling Zhu, Chao-Yang Lu, Cheng-Zhi Peng, Xiaobo Zhu och Jian-Wei Pan. "Stark Quantum Computational Advantage att använda en supraledande kvantprocessor". Phys. Rev. Lett. 127, 180501 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.180501

[9] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J. Love, Alán Aspuru-Guzik och Jeremy L. O'Brien. "En variabel egenvärdeslösare på en fotonisk kvantprocessor". Nature Communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[10] Vedran Dunjko, Yimin Ge och J. Ignacio Cirac. "Beräkningshastigheter med hjälp av små kvantenheter". Phys. Rev. Lett. 121, 250501 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.250501

[11] Aram W. Harrow. "Små kvantdatorer och stora klassiska datamängder" (2020). arXiv:2004.00026.
arXiv: 2004.00026

[12] Sergey Bravyi, Graeme Smith och John A. Smolin. "Handel med klassiska och kvantberäkningsresurser". Phys. Rev. X 6, 021043 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.021043

[13] Mithuna Yoganathan, Richard Jozsa och Sergii Strelchuk. "Kvantumfördel med enhetliga Clifford-kretsar med magiska tillståndsingångar". Proc. R. Soc. A 475, 20180427 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2018.0427

[14] Padraic Calpin. "Utforska kvantberäkningar genom linsen av klassisk simulering". Doktorsavhandling. UCL (University College London). (2020). URL: https://​/​discovery.ucl.ac.uk/​id/​eprint/​10091573.
https://​/​discovery.ucl.ac.uk/​id/​eprint/​10091573

[15] Daniel Gottesman. "Stabilisatorkoder och kvantfelskorrigering". Doktorsavhandling. Caltech. (1997). arXiv:quant-ph/​9705052.
arXiv: kvant-ph / 9705052

[16] Daniel Gottesman. "Heisenbergs representation av kvantdatorer". In Group22: Proceedings of the XXII International Colloquium on Group Theoretical Methods in Physics. Sidorna 32–43. (1998). arXiv:quant-ph/​9807006.
arXiv: kvant-ph / 9807006

[17] Igor L. Markov och Yaoyun Shi. "Simulera kvantberäkning genom att kontraktera tensornätverk". SIAM Journal on Computing 38, 963–981 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 050644756

[18] Cupjin Huang, Michael Newman och Mario Szegedy. "Explicita nedre gränser för stark kvantsimulering" (2018). arXiv:1804.10368.
arXiv: 1804.10368

[19] Hakop Pashayan, Joel J. Wallman och Stephen D. Bartlett. "Uppskatta utfallssannolikheter för kvantkretsar med hjälp av kvasisannolikheter". Phys. Rev. Lett. 115, 070501 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.115.070501

[20] Robert Raussendorf, Juani Bermejo-Vega, Emily Tyhurst, Cihan Okay och Michael Zurel. "Fas-rymd-simuleringsmetod för kvantberäkning med magiska tillstånd på qubits". Phys. Rev. A 101, 012350 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.012350

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

[22] Sergey Bravyi och David Gosset. "Förbättrad klassisk simulering av kvantkretsar dominerade av Clifford Gates". Phys. Rev. Lett. 116, 250501 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.116.250501

[23] 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

[24] Hammam Qassim, Joel J. Wallman och Joseph Emerson. "Clifford-omkompilering för snabbare klassisk simulering av kvantkretsar". Quantum 3, 170 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-08-05-170

[25] Hammam Qassim, Hakop Pashayan och David Gosset. "Förbättrade övre gränser för stabilisatorgraden för magiska tillstånd". Quantum 5, 606 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-12-20-606

[26] 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

[27] Xinlan Zhou, Debbie W. Leung och Isaac L. Chuang. "Metodologi för konstruktion av kvantlogikgrind". Phys. Rev. A 62, 052316 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.62.052316

[28] Sergey Bravyi och Alexei Kitaev. "Universell kvantberäkning med idealiska Clifford-portar och bullriga ancillas". Phys. Rev. A 71, 022316 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.71.022316

[29] Earl T. Campbell, Barbara M. Terhal och Christophe Vuillot. "Vägar mot feltoleranta universella kvantberäkningar". Nature 549, 172–179 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23460

[30] Daniel Litinski. "Magic State Destillation: Inte så kostsamt som du tror". Quantum 3, 205 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-12-02-205

[31] Ketan N. Patel, Igor L. Markov och John P. Hayes. "Optimal syntes av linjära reversibla kretsar". Kvantinformation. Comput. 8, 282–294 (2008).
https: / / doi.org/ 10.26421 / QIC8.3-4-4

[32] Robert Raussendorf och Hans J. Briegel. "En enkelriktad kvantdator". Phys. Rev. Lett. 86, 5188–5191 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.86.5188

[33] Michael A. Nielsen. "Optisk kvantberäkning med klustertillstånd". Phys. Rev. Lett. 93, 040503 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.93.040503

[34] Daniel E. Browne och Terry Rudolph. "Resurseffektiv linjär optisk kvantberäkning". Phys. Rev. Lett. 95, 010501 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.95.010501

[35] P. Walther, KJ Resch, T. Rudolph, E. Schenck, H. Weinfurter, V. Vedral, M. Aspelmeyer och A. Zeilinger. "Experimentell envägs kvantberäkning". Nature 434, 169–176 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature03347

[36] Robert Prevedel, Philip Walther, Felix Tiefenbacher, Pascal Böhi, Rainer Kaltenbaek, Thomas Jennewein och Anton Zeilinger. "Höghastighets linjär optik kvantberäkning med aktiv framkoppling". Nature 445, 65–69 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature05346

[37] Anne Broadbent, Joseph Fitzsimons och Elham Kashefi. "Universell blind kvantberäkning". År 2009 50:e årliga IEEE-symposium om grunder för datavetenskap. Sidorna 517–526. (2009).
https: / / doi.org/ 10.1109 / FOCS.2009.36

[38] Matthew Amy, Dmitri Maslov och Michele Mosca. "Polynomial-Time T-Depth Optimization of Clifford+T Circuits Via Matroid Partitioning". IEEE Transactions on Computer Aided Design of Integrated Circuits and Systems 33, 1476–1489 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TCAD.2014.2341953

[39] Yunseong Nam, Neil J. Ross, Yuan Su, Andrew M. Childs och Dmitri Maslov. "Automatisk optimering av stora kvantkretsar med kontinuerliga parametrar". npj Quantum Information 4, 1 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-018-0072-4

[40] Alexander Cowtan, Silas Dilkes, Ross Duncan, Will Simmons och Seyon Sivarajah. "Fasprylarsyntes för grunda kretsar". Electronic Proceedings in Theoretical Computer Science 318, 213–228 (2020).
https: / ⠀ </ ⠀ <doi.org/†<10.4204 / ⠀ <EPTCS.318.13

[41] Aleks Kissinger och John van de Wetering. "Minska antalet icke-Clifford-grindar i kvantkretsar". Phys. Rev. A 102, 022406 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.022406

[42] Fang Zhang och Jianxin Chen. "Optimera T-grindar i Clifford+T-kretsen som $pi/​4$-rotationer runt Paulis" (2019). arXiv:1903.12456.
arXiv: 1903.12456

[43] Tianyi Peng, Aram W. Harrow, Maris Ozols och Xiaodi Wu. "Simulera stora kvantkretsar på en liten kvantdator". Phys. Rev. Lett. 125, 150504 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.150504

[44] Wei Tang, Teague Tomesh, Martin Suchara, Jeffrey Larson och Margaret Martonosi. "CutQC: Använda små kvantdatorer för utvärderingar av stora kvantkretsar". I samband med den 26:e ACM internationella konferensen om arkitektoniskt stöd för programmeringsspråk och operativsystem. Sida 473–486. ASPLOS '21New York, NY, USA (2021). Föreningen för Datormaskiner.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3445814.3446758

[45] Christophe Piveteau och David Sutter. ”Kretsstickning med klassisk kommunikation” (2023). arXiv:2205.00016.
arXiv: 2205.00016

[46] Angus Lowe, Matija Medvidović, Anthony Hayes, Lee J. O'Riordan, Thomas R. Bromley, Juan Miguel Arrazola och Nathan Killoran. "Snabb kvantkretsskärning med randomiserade mätningar". Quantum 7, 934 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-03-02-934

[47] Daniel Gottesman. "En introduktion till kvantfelskorrigering och feltolerant kvantberäkning" (2009). arXiv:0904.2557.
arXiv: 0904.2557

[48] Austin G. Fowler, Matteo Mariantoni, John M. Martinis och Andrew N. Cleland. "Ytkoder: Mot praktisk storskalig kvantberäkning". Phys. Rev. A 86, 032324 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[49] Daniel Litinski. "A Game of Surface Codes: Large-scale Quantum Computing with Lattice Surgery". Quantum 3, 128 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-03-05-128

[50] Byung-Soo Choi och Rodney Van Meter. "Om effekten av kvantinteraktionsavstånd på kvantadditionskretsar". J. Emerg. Technol. Comput. Syst. 7 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 2000502.2000504

[51] Filipa CR Peres. "Pauli-baserad modell för kvantberäkning med högre dimensionella system". Phys. Rev. A 108, 032606 (2023).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.108.032606

[52] Yihui Quek, Mark M. Wilde och Eneet Kaur. "Multivariat spåruppskattning i konstant kvantdjup" (2022). arXiv:2206.15405.
arXiv: 2206.15405

[53] Markus Heinrich och David Gross. "Robustheten av magi och symmetrier hos stabilisatorpolytopen". Quantum 3, 132 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-04-08-132

[54] Mark Howard och Earl Campbell. "Tillämpning av en resursteori för magiska tillstånd på feltolerant kvantberäkning". Phys. Rev. Lett. 118 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.090501

[55] Lorenzo Leone, Salvatore FE Oliviero och Alioscia Hamma. "Stabilisator Rényi Entropy". Phys. Rev. Lett. 128, 050402 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.050402

[56] Blake Johnson. "Ta med den fulla kraften hos dynamiska kretsar till Qiskit Runtime". URL: https://​/​research.ibm.com/​blog/​quantum-dynamic-circuits. (tillgänglig: 2022-11-09).
https://​/​research.ibm.com/​blog/​quantum-dynamic-circuits

[57] Qiskit utvecklingsteam. "StatectorSimulator". url: https://​/​qiskit.org/​documentation/​stubs/​qiskit.providers.aer.StatevectorSimulator.html. (tillgänglig: 2022-11-01).
https://​/​qiskit.org/​documentation/​stubs/​qiskit.providers.aer.StatevectorSimulator.html

[58] Vivek V. Shende och Igor L. Markov. "På CNOT-kostnaden för TOFFOLI-portar". Kvantinformation. Comput. 9, 461–486 (2009).
https: / / doi.org/ 10.26421 / QIC8.5-6-8

[59] Sergio Boixo, Sergei V. Isakov, Vadim N. Smelyanskiy, Ryan Babbush, Nan Ding, Zhang Jiang, Michael J. Bremner, John M. Martinis och Hartmut Neven. "Karakteriserande kvantöverlägsenhet i enheter på kort sikt". Nature Physics 14, 595–600 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-018-0124-x

[60] Hsin-Yuan Huang, Richard Kueng och John Preskill. "Förutsäga många egenskaper hos ett kvantsystem från mycket få mätningar". Nature Physics 16, 1050–1057 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-020-0932-7

[61] Alastair Kay. "Quantikz". URL: https://​/​doi.org/​10.17637/​rh.7000520.v4.
https://​/​doi.org/​10.17637/​rh.7000520.v4

Citerad av

[1] Michael Zurel, Lawrence Z. Cohen och Robert Raussendorf, "Simulering av kvantberäkning med magiska tillstånd via Jordan-Wigner-transformationer", arXiv: 2307.16034, (2023).

[2] Qiuhao Chen, Yuxuan Du, Qi Zhao, Yuling Jiao, Xiliang Lu och Xingyao Wu, "Effektiv och praktisk kvantkompilator mot multi-qubit-system med djup förstärkningsinlärning", arXiv: 2204.06904, (2022).

[3] Filipa CR Peres, "Pauli-baserad modell för kvantberäkning med högre dimensionella system", Fysisk granskning A 108 3, 032606 (2023).

[4] Michael Zurel, Cihan Okej och Robert Raussendorf, "Simulering av kvantberäkning med magiska tillstånd: hur många "bitar" för "det"?", arXiv: 2305.17287, (2023).

[5] Mark Koch, Richie Yeung och Quanlong Wang, "Speedy Contraction of ZX Diagrams with Triangles via Stabilizer Decompositions", arXiv: 2307.01803, (2023).

Ovanstående citat är från SAO / NASA ADS (senast uppdaterad framgångsrikt 2023-10-04 03:09:33). Listan kan vara ofullständig eftersom inte alla utgivare tillhandahåller lämpliga och fullständiga citatdata.

On Crossrefs citerade service Inga uppgifter om citerande verk hittades (sista försök 2023-10-04 03:09:31).

Tidsstämpel:

Mer från Quantum Journal