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一次元のノイズの多いランダム量子回路の効率的な古典的シミュレーション

日付:


キョンジュ能1,2, 梁江3, ビル・フェファーマン4

1イェール大学物理学科、ニューヘブン、コネチカット州06520、米国
2量子コンピューティングのAWSセンター、カリフォルニア州パサデナ、91125、米国
3シカゴ大学プリツカー分子工学部、イリノイ州シカゴ、米国60637
4米国イリノイ州シカゴのシカゴ大学コンピュータサイエンス学科60637

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抽象

ノイズの多い中間スケール量子(NISQ)デバイスの計算能力を理解することは、量子情報科学にとって基本的かつ実用的な重要性の両方です。 ここでは、エラーが修正されていないノイズの多い量子コンピューターが、古典的なコンピューターよりも計算上の利点を提供できるかどうかという問題に対処します。 具体的には、ノイズの多い量子デバイスの計算能力に対するノイズの影響を調査するための単純なモデルとして、1次元(または1Dノイズの多いRCS)でノイズのランダム回路サンプリングを研究します。 特に、行列積演算子(MPO)を介して1Dノイズの多いランダム量子回路のリアルタイムダイナミクスをシミュレーションし、MPOエンタングルメントエントロピーと呼ばれるメトリックを使用して1Dノイズの多い量子システムの計算能力を特徴付けます。 後者のメトリックは、古典的なMPOシミュレーションのコストを決定するために選択されました。 検討したXNUMXキュービットゲートエラーレートでは、それ以上のキュービットを追加しても、XNUMXDノイズシステムの従来のMPOシミュレーションのコストが指数関数的に増加しない特徴的なシステムサイズが存在することを数値で示します。 具体的には、システムの特性サイズの上に、MPOエンタングルメントエントロピーが最大化されるシステムサイズに関係なく、最適な回路深度があることを示します。 最も重要なのは、達成可能な最大MPOエンタングルメントエントロピーは、システムサイズではなくゲートエラーレートのみに依存する定数によって制限されることです。 また、ゲートエラーレートの関数として達成可能な最大MPOエンタングルメントエントロピーのスケーリングを取得するためのヒューリスティック分析も提供します。 得られたスケーリングは、MPOシミュレーションのコストが特定の特性システムサイズを超えるシステムサイズでは指数関数的に増加しないが、ゲートエラーレートが減少するにつれて指数関数的に増加することを示唆しており、おそらく、最先端のスーパーコンピュータ。

量子デバイスの計算能力を特徴付けるXNUMXつの方法は、古典的な計算を介して量子デバイスの動作をシミュレートすることがどれほど難しいかを調査することです。 利用可能なキュビットの数が限られている場合、できるだけ多くのキュビットを使用することが最も重要なマイルストーンと見なされました。それ以外の場合、システムの計算出力は古典的なコンピューターで容易にシミュレーションできるためです。 最近、より多くのキュービットが利用可能になったため、ゲートエラー率を低くすることも重要であることが概念レベルで認識されています。 ただし、後者の影響は体系的に研究されていません。 このようにして、量(すなわち、キュービットの数)と品質(すなわち、ゲートエラーレート)の間の相互作用を定量的に調査します。

具体的には、現実的なゲートエラーの悪影響を調査するための単純なモデルとして、1Dノイズの多いランダム回路サンプリングを研究します。 私たちの作業からの重要なポイントは、ノイズの多い設定では、ゲートエラーレートのみによって決定される特徴的なシステムサイズが存在することです。これを超えると、量子ビットを追加しても、ノイズの多い量子システムの計算能力が指数関数的に増加しません。 つまり、品質は量の効用を制限します。 特に、行列積の演算子は、1Dノイズの多いシステムのダイナミクスを信頼性が高く圧縮された方法で記述できることを示しています。

私たちの仕事は、騒々しい中間スケール量子(NISQ)デバイスに基づく短期的な量子コンピューティング技術の有用性を評価するためのフレームワークを提供します。 チェーンアーキテクチャを超えて、より一般的な設定(たとえば、平面アーキテクチャ)を調査することは、将来の有益な研究の方向性になるでしょう。

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上記の引用は SAO / NASA ADS (最後に正常に更新された2020-09-16 09:45:28)。 すべての出版社が適切で完全な引用データを提供するわけではないため、リストは不完全な場合があります。

On Crossrefの被引用サービス 作品の引用に関するデータは見つかりませんでした(最後の試行2020-09-16 09:45:27)。

ソース:https://quantum-journal.org/papers/q-2020-09-11-318/

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