論文の概要: Efficient variational synthesis of quantum circuits with coherent multi-start optimization

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2205.01121v1
• Date: Mon, 2 May 2022 18:00:03 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-02-14 20:32:23.505999
• Title: Efficient variational synthesis of quantum circuits with coherent multi-start optimization
• Title（参考訳）: コヒーレントマルチスタート最適化による量子回路の効率的な変分合成
• Authors: Nikita A. Nemkov, Evgeniy O. Kiktenko, Ilia A. Luchnikov, Aleksey K. Fedorov
• Abstract要約: 我々は、CNOTゲートと任意の1量子ビット(1q)ゲートからなるゲート集合に合成する問題を考察する。 私たちが提案する重要なアイデアは、IDゲートとCNOTゲートの間を補間できるパラメタライズされた2量子ビット(2q)位相ゲートを使用することである。 このアーキテクチャの一貫性のある最適化と1qゲートは、実際驚くほどうまく機能しているようだ。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.3108652488669734
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: We consider the problem of the variational quantum circuit synthesis into a gate set consisting of the CNOT gate and arbitrary single-qubit (1q) gates with the primary target being the minimization of the CNOT count. First we note that along with the discrete architecture search suffering from the combinatorial explosion of complexity, optimization over 1q gates can also be a crucial roadblock due to the omnipresence of local minimums (well known in the context of variational quantum algorithms but apparently underappreciated in the context of the variational compiling). Taking the issue seriously, we make an extensive search over the initial conditions an essential part of our approach. Another key idea we propose is to use parametrized two-qubit (2q) controlled phase gates, which can interpolate between the identity gate and the CNOT gate, and allow a continuous relaxation of the discrete architecture search, which can be executed jointly with the optimization over 1q gates. This coherent optimization of the architecture together with 1q gates appears to work surprisingly well in practice, sometimes even outperforming optimization over 1q gates alone (for fixed optimal architectures). As illustrative examples and applications we derive 8 CNOT and T depth 3 decomposition of the 3q Toffoli gate on the nearest-neighbor topology, rediscover known best decompositions of the 4q Toffoli gate on all 4q topologies including a 1 CNOT gate improvement on the star-shaped topology, and propose decomposition of the 5q Toffoli gate on the nearest-neighbor topology with 48 CNOT gates. We also benchmark the performance of our approach on a number of 5q quantum circuits from the ibm_qx_mapping database showing that it is highly competitive with the existing software. The algorithm developed in this work is available as a Python package CPFlow.
• Abstract（参考訳）: 我々は、cnotゲートと任意の単一量子ビット (1q) ゲートからなるゲート集合への変分量子回路合成の問題を考える。 まず、複雑性の組合せ爆発に苦しむ離散的なアーキテクチャ探索とともに、1qゲートの最適化は局所的最小値の不完全性(変分量子アルゴリズムの文脈ではよく知られているが、変分コンパイルの文脈では過小評価されている)のために重要な障害となる。 この問題を真剣に受け止めるため、初期条件に関する広範囲な調査を私たちのアプローチの重要な部分としています。 もう一つの重要なアイデアは、パラメータ化された2量子ビット(2q)制御相ゲートを使用することで、IDゲートとCNOTゲートの間を補間し、1qゲートの最適化と共同で実行できる離散アーキテクチャ探索を連続的に緩和することである。 このアーキテクチャの一貫性のある最適化と1qゲートは、実際は驚くほどうまく機能し、時には1qゲート単独での最適化(固定された最適アーキテクチャの場合)よりも優れています。 8 cnot と t depth 3 を最近傍トポロジー上の 3q toffoli ゲートの分解、星型トポロジー上の 1 cnot ゲート改良を含む全 4q トポロジー上の 4q toffoli ゲートの既知の最良の分解を再発見し、48 cnot ゲートを持つ最近傍トポロジー上の 5q toffoli ゲートの分解を提案する。 また、ibm_qx_mappingデータベースから得られた5q量子回路の性能をベンチマークし、既存のソフトウェアと高い競合性を示している。 この研究で開発されたアルゴリズムはPythonパッケージCPFlowとして利用可能である。

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