論文の概要: Efficient Mean-Field Simulation of Quantum Circuits Inspired by the Many-Electron Problem

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2210.16465v1
• Date: Sat, 29 Oct 2022 02:12:15 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-01-21 03:06:01.094557
• Title: Efficient Mean-Field Simulation of Quantum Circuits Inspired by the Many-Electron Problem
• Title（参考訳）: 多電子問題による量子回路の高効率平均場シミュレーション
• Authors: Marco Bernardi
• Abstract要約: 密度汎関数理論(DFT)にインスパイアされたQCの効率的なシミュレーションを示す。 シミュレーションでは、量子ビット数で線形なメモリと計算資源を用いて、90%以上の精度で有限個の量子ビット確率を予測できる。 本研究は, 大規模QCの正確なシミュレーション方法と, 電子構造法をQCシミュレーションに適用するための青写真を提供するものである。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.766648389933265
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Classical simulations can provide the exact wave function of quantum circuits (QCs), but are currently limited to $\sim$50 qubits due to their memory and computational cost, which scale exponentially with qubit number. As quantum hardware advances toward hundreds of interacting qubits, developing reliable schemes for approximate QC simulations has become a priority. Here we show efficient simulations of QCs with a method inspired by density functional theory (DFT), a widely used approach to study many-electron systems. We demonstrate accurate simulations of various QCs with universal gate sets, reaching up to a billion qubits in size, using only laptop calculations. Our simulations can predict marginal single-qubit probabilities (SQPs) with over 90\% accuracy, using memory and computational resources linear in qubit number despite the formal exponential cost of SQPs. We achieve these results by adopting a mean-field description of QCs, and formulating optimal single- and two-qubit gate functionals $-$ analogs of exchange-correlation functionals in DFT $-$ to evolve the SQPs without computing the QC wave function. Our findings pave the way for accurate simulations of large QCs and provide a blueprint to adapt electronic structure methods to QC simulations.
• Abstract（参考訳）: 古典的なシミュレーションは量子回路の正確な波動関数(QC)を提供することができるが、現在はメモリと計算コストのために$\sim$50 qubitsに制限されている。 量子ハードウェアが数百の相互作用する量子ビットに向かうにつれて、近似qcシミュレーションのための信頼性の高いスキームの開発が優先事項となっている。 本稿では、多電子系の研究に広く用いられている密度汎関数理論(DFT)にインスパイアされたQCの効率的なシミュレーションを示す。 我々は,ノートパソコンの計算のみで,最大10億量子ビットのゲートセットを持つ様々なQCの正確なシミュレーションを実演する。 本シミュレーションは,sqpsの形式的指数関数的コストにもかかわらず,キュービット数に線形なメモリと計算資源を用いて,90%以上の精度で限界1量子ビット確率(sqps)を予測できる。 これらの結果は、QCの平均場記述を採用し、QCの波動関数を計算せずにSQPを進化させるために、DFT$-$の交換相関関数のアナログを最適1ビットと2ビットのゲート関数として定式化する。 本研究は, 大規模QCの正確なシミュレーション方法と, 電子構造法をQCシミュレーションに適用するための青写真を提供するものである。

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