Simulação de estabilizador rápido com expansões de forma quadrática

Nó Fonte: 1666413

Niel de Beaudrap1 e Steven Herbert2,3

1Departamento de Informática, Universidade de Sussex, Reino Unido
2Quantinuum (Cambridge Quantum), Terrington House, 13-15 Hills Rd, Cambridge, CB2 1NL, Reino Unido
3Departamento de Ciência e Tecnologia da Computação, Universidade de Cambridge, Reino Unido

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Sumário

Este artigo baseia-se na ideia de simular circuitos estabilizadores através de transformações de {expansões de forma quadrática}. Esta é uma representação de um estado quântico que especifica uma fórmula para a expansão na base padrão, descrevendo fases relativas reais e imaginárias usando um polinômio de grau 2 sobre os inteiros. Mostramos como, com um gerenciamento hábil da representação de expansão de forma quadrática, podemos simular operações individuais do estabilizador em $mathcal{O}(n^2)$, correspondendo à complexidade geral de outras técnicas de simulação [1,2,3]. Nossas técnicas proporcionam economias de escala no tempo para simular medições simultâneas de todos (ou quase todos) qubits na base padrão. Nossas técnicas também permitem que medições de qubit único com resultados determinísticos sejam simuladas em tempo constante. Descrevemos também como estes limites podem ser reforçados quando a expansão do estado na base padrão tem relativamente poucos termos (tem uma “classificação” baixa), ou pode ser especificada por matrizes esparsas. Especificamente, isso nos permite simular uma medição de síndrome do estabilizador `local' no tempo $mathcal{O}(n)$, para um código estabilizador sujeito ao ruído Pauli --- combinando o que é possível usando técnicas desenvolvidas por Gidney [4] sem a necessidade de armazenar quais operações foram simuladas até agora.

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► Referências

[1] S. Aaronson e D. Gottesman, “Simulação melhorada de circuitos estabilizadores”, Physical Review A, vol. 70, não. 5 de novembro de 2004. [On-line]. Disponível: https://​/​doi.org/​10.1103/​physreva.70.052328 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.70.052328

[2] S. Anders e HJ Briegel, ``Simulação rápida de circuitos estabilizadores usando uma representação de estado gráfico'', Physical Review A, vol. 73, não. 2, fevereiro de 2006. [On-line]. Disponível: http://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.73.022334 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.73.022334

[3] S. Bravyi, G. Smith e JA Smolin, `` Negociando recursos computacionais clássicos e quânticos '', Physical Review X, vol. 6, não. 2 de junho de 2016. [On-line]. Disponível: http:///​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.6.021043 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.021043

[4] C. Gidney, ``Stim: um simulador de circuito estabilizador rápido'', Quantum, vol. 5, pág. 497, julho de 2021. [Online]. Disponível: https://​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-07-06-497 0pt.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-07-06-497

[5] P. Shor, ``Algoritmos para computação quântica: logaritmos discretos e fatoração'', pp. 124–134, 1994. [Online]. Disponível: https://​/​doi.org/​10.1109/​SFCS.1994.365700 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1994.365700

[6] LK Grover, ``Um algoritmo mecânico quântico rápido para pesquisa de banco de dados'', em Proceedings of the Twenty-Eighth Annual ACM Symposium on Theory of Computing, ser. STOC '96. Nova York, NY, EUA: Association for Computing Machinery, 1996, p. 212–219. [On-line]. Disponível: https:///​/​doi.org/​10.1145/​237814.237866 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 237814.237866

[7] D. Gottesman, ``The Heisenberg Representation of Quantum Computers'', arXiv e-prints, julho de 1998. [Online]. Disponível: https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.QUANT-PH/​9807006 0pt.
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.QUANT-PH/​9807006

[8] SJ Devitt, WJ Munro e K. Nemoto, ``Correção de erros quânticos para iniciantes'', Reports on Progress in Physics, vol. 76, não. 7, pág. 076001, junho de 2013. [On-line]. Disponível: http:///​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​76/​7/​076001 0pt.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​76/​7/​076001

[9] BM Terhal, ``Correção de erros quânticos para memórias quânticas'', Reviews of Modern Physics, vol. 87, não. 2, pág. 307–346, abril de 2015. [On-line]. Disponível: http:///​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.87.307 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.87.307

[10] J. Roffe, `` Correção quântica de erros: um guia introdutório,'' Contemporary Physics, vol. 60, não. 3, pág. 226–245, julho de 2019. [Online]. Disponível: http:///​/​doi.org/​10.1080/​00107514.2019.1667078 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00107514.2019.1667078

[11] S. Bravyi, D. Browne, P. Calpin, E. Campbell, D. Gosset e M. Howard, ``Simulação de circuitos quânticos por decomposições de estabilizadores de baixa classificação,'' Quantum, vol. 3, pág. 181, setembro de 2019. [On-line]. Disponível: http://​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-09-02-181 0pt.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-09-02-181

[12] N. de Beaudrap, V. Danos, E. Kashefi e M. Roetteler, ``Expansões de forma quadrática para unitários'', em Teoria da Computação Quântica, Comunicação e Criptografia, Y. Kawano e M. Mosca, Eds. Berlim, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2008, pp. [On-line]. Disponível: https://​/​doi.org/​29/​46-10.1007-978-3-540_89304 2pt.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-540-89304-2_4

[13] AR Calderbank e PW Shor, “Existem bons códigos quânticos de correção de erros”, Physical Review A, vol. 54, não. 2, pág. 1098–1105, agosto de 1996. [Online]. Disponível: http:///​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.54.1098 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.1098

[14] J. Dehaene e B. de Moor, ``Grupo Clifford, estados estabilizadores e operações lineares e quadráticas sobre GF (2),'' Physical Review A, vol. 68, não. 4, pág. 042318, outubro de 2003. [On-line]. Disponível: https://​/​doi.org/​10.1103/​physreva.68.042318 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.68.042318

[15] M. Van Den Nest, ``Simulação clássica de computação quântica, o teorema de gottesman-knill e um pouco além'', Quantum Info. Computação, vol. 10, não. 3 de março de 2010. [On-line]. Disponível: https://​/​doi.org/​10.26421/​QIC10.3-4-6 0pt.
https: / / doi.org/ 10.26421 / QIC10.3-4-6

[16] J. Bermejo-Vega e M. Van Den Nest, ``Simulações clássicas de circuitos normalizadores de grupo abeliano com medições intermediárias,'' Quantum Information and Computation, vol. 14, não. 3 e 4, pp. 181–0216, março de 2014. [Online]. Disponível: https://​/​doi.org/​10.26421/​QIC14.3-4-1 0pt.
https: / / doi.org/ 10.26421 / QIC14.3-4-1

[17] M. Amy, ``Rumo à verificação funcional em larga escala de circuitos quânticos universais'', Electronic Proceedings in Theoretical Computer Science, vol. 287, pág. 1–21, janeiro de 2019. [On-line]. Disponível: http://​/​doi.org/​10.4204/​EPTCS.287.1 0pt.
https: / / doi.org/ 10.4204 / EPTCS.287.1

[18] D. Gross, “Teorema de Hudson para sistemas quânticos de dimensão finita”, Journal of Mathematical Physics, vol. 47, não. 12, pág. 122107, dezembro de 2006. [Online]. Disponível: http:///​/​doi.org/​10.1063/​1.2393152 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.2393152

[19] N. de Beaudrap e S. Herbert, ``Codificação de rede linear quântica para distribuição de emaranhamento em arquiteturas restritas,'' Quantum, vol. 4, pág. 356, novembro de 2020. [On-line]. Disponível: https://​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-11-01-356 0pt.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-11-01-356

[20] C. Guan e KW Regan, ``Circuitos estabilizadores, formas quadráticas e classificação de matriz computacional'', 2019. [Online]. Disponível: https://​/​doi.org/​10.48550/​arxiv.1904.00101 0pt.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arxiv.1904.00101

[21] MA Nielsen e IL Chuang, Computação Quântica e Informação Quântica: Edição do 10º Aniversário, 10ª ed. EUA: Cambridge University Press, 2011. [Online]. Disponível: https://​/​doi.org/​10.1017/​CBO9780511976667 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[22] R. Jozsa e M. Van Den Nest, ``Complexidade de simulação clássica de circuitos clifford estendidos,'' Quantum Info. Computação, vol. 14, não. 7 e 8, pág. 633–648, maio de 2014. [Online]. Disponível: https://​/​doi.org/​10.48550/​arxiv.1305.6190 0pt.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arxiv.1305.6190

[23] S. Bravyi e D. Gosset, ``Simulação clássica melhorada de circuitos quânticos dominados por portas de Clifford,'' Physical Review Letters, vol. 116, não. 25 de junho de 2016. [On-line]. Disponível: http:///​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.116.250501 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.116.250501

[24] AG Fowler, M. Mariantoni, JM Martinis e AN Cleland, ``Códigos de superfície: Rumo à computação quântica prática em larga escala,'' Physical Review A, vol. 86, não. 3, setembro de 2012. [On-line]. Disponível: http:///​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.86.032324 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.032324

[25] AJ Landahl, JT Anderson e PR Rice, ``Computação quântica tolerante a falhas com códigos de cores'', 2011. [Online]. Disponível: https://​/​doi.org/​10.48550/​arxiv.1108.5738 0pt.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arxiv.1108.5738

[26] R. Chao e BW Reichardt, ``Correção quântica de erros com apenas dois qubits extras'', Physical Review Letters, vol. 121, não. 5 de agosto de 2018. [On-line]. Disponível: http:///​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.121.050502 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.050502

[27] PW Shor, ``Computação quântica tolerante a falhas'', em Anais do 37º Simpósio Anual sobre Fundamentos da Ciência da Computação, ser. FOCS '96. EUA: IEEE Computer Society, 1996, p. 56. [On-line]. Disponível: https://​/​doi.org/​10.1109/​SFCS.1996.548464 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1996.548464

[28] DP DiVincenzo e P. Aliferis, ``Computação quântica tolerante a falhas eficaz com medições lentas,'' Physical Review Letters, vol. 98, não. 2, janeiro de 2007. [On-line]. Disponível: http://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.98.020501 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.020501

[29] CH Bennett, G. Brassard, S. Popescu, B. Schumacher, JA Smolin e WK Wootters, ``Purificação de emaranhamento ruidoso e teletransporte fiel através de canais ruidosos,'' Phys. Rev. 76, pp. 722–725, janeiro de 1996. [Online]. Disponível: https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.76.722 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.76.722

[30] R. Nigmatullin, CJ Ballance, N. de Beaudrap e SC Benjamin, `` Armadilhas de íons minimamente complexas como módulos para comunicação e computação quântica,'' New Journal of Physics, vol. 18, não. 10, pág. 103028, 2016. [On-line]. Disponível: https:///​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​10/​103028 0pt.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​10/​103028

[31] W. Dür e HJ Briegel, ``Purificação de emaranhamento e correção de erros quânticos'', Reports on Progress in Physics, vol. 70, não. 8, pág. 1381–1424, julho de 2007. [Online]. Disponível: http:///​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​70/​8/​R03 0pt.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​70/​8/​R03

[32] CM Dawson, AP Hines, D. Mortimer, HL Haselgrove, MA Nielsen e TJ Osborne, ``Computação quântica e equações polinomiais sobre o campo finito Z2,'' Quantum Info. Computação, vol. 5, não. 2, pág. 102–112, março de 2005. [On-line]. Disponível: https://​/​doi.org/​10.48550/​arxiv.quant-ph/​0408129 0pt.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arxiv.quant-ph/​0408129
arXiv: quant-ph / 0408129

[33] M. Hein, J. Eisert e HJ Briegel, ``Enredamento multipartidário em estados de gráficos'', Physical Review A, vol. 69, não. 6 de junho de 2004. [On-line]. Disponível: http:///​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.69.062311 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.69.062311

[34] M. Hein, W. Dür, J. Eisert, R. Raussendorf, M. Nest e H. Briegel, `` Entrelaçamento em estados de grafos e suas aplicações, '' Quantum Computers, Algorithms and Chaos, vol. 162, 03 2006. [On-line]. Disponível: https:///​/​doi.org/​10.3254/​978-1-61499-018-5-115 0pt.
https:/​/​doi.org/​10.3254/​978-1-61499-018-5-115

[35] LE Heyfron e ET Campbell, ``Um compilador quântico eficiente que reduz a contagem de T'', Quantum Science and Technology, vol. 4, não. 1, pág. 015004, setembro de 2018. [On-line]. Disponível: https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​aad604 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / aad604

[36] D. Gottesman e IL Chuang, ``Demonstrando a viabilidade da computação quântica universal usando teletransporte e operações de qubit único,'' Nature, vol. 402, não. 6760, pp. Disponível: https:///​/​doi.org/​390/​393 1999pt.
https: / / doi.org/ 10.1038 / 46503

[37] B. Zeng, X. Chen e IL Chuang, ``Operações semi-clifford, estrutura de hierarquia ${mathcal{c}}_{k}$ e complexidade de porta para computação quântica tolerante a falhas,'' Phys. Rev. 77, pág. 042313, abril de 2008. [On-line]. Disponível: https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.77.042313 0pt.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.77.042313

[38] A. Edgington, ``Simplex: um simulador rápido para circuitos Clifford.'' [Online]. Disponível: https://​/​github.com/​CQCL/​simplex/​releases/​tag/​v1.4.0 0pt.
https://​/​github.com/​CQCL/​simplex/​releases/​tag/​v1.4.0

Citado por

[1] Matthew Amy, Owen Bennett-Gibbs e Neil J. Ross, "Síntese simbólica dos circuitos de Clifford e além", arXiv: 2204.14205.

As citações acima são de SAO / NASA ADS (última atualização com êxito 2022-09-15 21:50:22). A lista pode estar incompleta, pois nem todos os editores fornecem dados de citação adequados e completos.

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