LIMDD:用于模拟包括稳定器状态的量子计算的决策图

LIMDD:用于模拟包括稳定器状态的量子计算的决策图

列维·温克赫伊森1, 蒂姆·库普曼斯1,2, 大卫·埃尔库斯2,3, 韦德兰·邓杰科(Vedran Dunjko)1阿方斯·拉尔曼1

1荷兰莱顿大学
2荷兰代尔夫特理工大学
3网络化量子器件单元,冲绳科学技术研究生院,冲绳,日本

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抽象

量子态和量子运算的有效表示和模拟方法对于量子电路的优化至关重要。 决策图(DD)是一种经过充分研究的数据结构,最初用于表示布尔函数,已被证明能够捕获量子系统的相关方面,但它们的局限性尚不清楚。 在这项工作中,我们研究并弥合了现有的基于 DD 的结构和稳定器形式之间的差距,稳定器形式是在易处理状态下模拟量子电路的重要工具。 我们首先表明,尽管 DD 被认为可以简洁地表示重要的量子态,但它们实际上需要指数空间来表示某些稳定器态。 为了解决这个问题,我们引入了一种更强大的决策图变体,称为局部可逆映射-DD (LIMDD)。 我们证明由多尺寸 LIMDD 表示的量子态集严格包含稳定器状态和其他决策图变体的并集。 最后,存在 LIMDD 可以有效模拟的电路,但它们的输出状态不能用两种最先进的模拟范式简洁地表示:Clifford + $T$ 电路的稳定器分解技术和矩阵乘积状态。 通过结合两种成功的方法,LIMDD 为从根本上更强大的量子计算模拟和分析解决方案铺平了道路。

量子电路的经典模拟是一项计算困难的任务。 在一种简单的方法中,对于 $n$ 量子位电路,存储量子态描述的内存需求会增长为 $2^n$。 决策图通过提供量子态的压缩表示来解决这个问题。 然而,基于 DD 的方法的局限性还没有得到很好的理解。 在这项工作中,我们研究并弥合了现有的基于 DD 的结构和稳定器形式之间的差距,稳定器形式是模拟量子电路的另一个重要工具。 我们首先表明,尽管 DD 被认为可以简洁地表示重要的量子态,但它们实际上需要指数空间来表示某些稳定器态。 为了解决这个问题,我们引入了一种更强大的决策图变体,称为局部可逆映射-DD (LIMDD)。 我们证明存在可以通过 LIMDD 进行有效分析的量子电路,但不能通过现有的基于 DD 的方法、稳定器分解技术或矩阵乘积态进行分析。 通过在严格更简洁的数据结构中利用 DD 和稳定器形式主义的优势,LIMDD 为从根本上更强大的量子计算模拟和分析铺平了道路。

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被引用

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