論文の概要: Entanglement-efficient bipartite-distributed quantum computing with entanglement-assisted packing processes

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2212.12688v1
• Date: Sat, 24 Dec 2022 08:45:44 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-01-09 05:27:41.244353
• Title: Entanglement-efficient bipartite-distributed quantum computing with entanglement-assisted packing processes
• Title（参考訳）: 絡み込み支援パッキングプロセスを用いたエンタングルメント効率二部分散量子コンピューティング
• Authors: Jun-Yi Wu, Kosuke Matsui, Tim Forrer, Akihito Soeda, Pablo Andr\'es-Mart\'inez, Daniel Mills, Luciana Henaut, Mio Murao
• Abstract要約: ノイズの多い中間規模量子コンピューティングでは、量子プロセッサユニット(QPU)のスケーラビリティが制限される。 本稿では,複数の制御単位ゲートを実装可能な,絡み合い支援型パッキングプロセスに基づく新しいプロトコルを提案する。 エンタングルメントの効率は、2つの非逐次分散プロセスをマージする埋め込みプロセスによって向上する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.430065827245742
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: In noisy intermediate-scale quantum computing, the scalability of a quantum processor unit (QPU) is limited. The scalability of a single QPU can be extended through distributed quantum computing (DQC), in which one can implement global operations over two QPUs by entanglement-assisted local operations and classical communication (LOCC). To facilitate this type of DQC in experiments, we need an entanglement-efficient protocol. To this end, we extend the standard protocol implementing each single controlled-unitary gate with one maximally entangled pair [Eisert et. al., PRA, 62:052317(2000)] to a new protocol based on entanglement-assisted packing processes, which can implement multiple controlled-unitary gates using one maximally entangled pair. In particular, two types of packing processes are introduced as the building blocks of entanglement-efficient DQC, namely the distributing processes and embedding processes. The efficiency of entanglement is enhanced by embedding processes, which merge two non-sequential distributing processes and hence save the entanglement cost. We show that the structure of distributability and embeddability of a quantum circuit can be fully represented by packing graphs and conflict graphs. Based on these graphs, we derive heuristic algorithms for finding an entanglement-efficient packing of distributing processes for a given quantum circuit to be implemented by two parties. These algorithms can determine the required number of local auxiliary qubits in the DQC. One can also set an upper limit on the local auxiliary qubits. We apply these algorithms for bipartite DQC of unitary coupled-cluster circuits and find a significant entanglement reduction through embeddings. This method can be employed to determine a constructive upper bound on entanglement cost for a quantum circuit approaching its lower bound.
• Abstract（参考訳）: ノイズの多い中間規模量子コンピューティングでは、量子プロセッサユニット(QPU)のスケーラビリティが制限される。 単一のQPUのスケーラビリティは分散量子コンピューティング(DQC)によって拡張することができ、2つのQPU上でのグローバルな操作を、絡み合い支援ローカル操作と古典的通信(LOCC)によって実装することができる。 このタイプのDQCを実験で容易にするためには、絡み合い効率の高いプロトコルが必要である。 そこで,本研究では,単一制御ユニタリゲートを最大エンタングルペアで実装する標準プロトコル (eisert et. al., pra, 62:052317(2000)] を,最大エンタングルペアを用いて複数の制御ユニタリゲートを実装可能なエンタングルメント支援パッキングプロセスに基づく新しいプロトコルに拡張する。 特に, エンタングルメント効率の高いDQCの構築ブロックとして, 分散プロセスと埋め込みプロセスの2種類のパッキングプロセスが導入された。 エンタングルメントの効率は、2つの非シーケンス分散プロセスをマージしてエンタングルメントコストを節約する埋め込みプロセスによって向上する。 量子回路の分散性と埋め込み性の構造は、グラフと競合グラフのパッキングによって完全に表現できることを示す。 これらのグラフに基づいて、与えられた量子回路の分配過程の絡み合い効率のよいパッキングを見つけるためのヒューリスティックアルゴリズムを導出する。 これらのアルゴリズムは、DQC内の局所補助量子ビットの必要個数を決定できる。 局所補助量子ビットの上限を設定することもできる。 これらのアルゴリズムをユニタリ結合クラスタ回路の2分割DQCに適用し、埋め込みによる大きな絡み合いの低減を求める。 この方法では、その下限に近づく量子回路の絡み合いコストにおける構成的上限を決定することができる。

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