論文の概要: Resource-efficient Generalized Quantum Subspace Expansion

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2309.14171v3
• Date: Mon, 12 May 2025 15:37:23 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-05-13 20:21:48.515774
• Title: Resource-efficient Generalized Quantum Subspace Expansion
• Title（参考訳）: 資源効率のよい一般化量子サブスペース展開
• Authors: Bo Yang, Nobuyuki Yoshioka, Hiroyuki Harada, Shigeo Hakkaku, Yuuki Tokunaga, Hideaki Hakoshima, Kaoru Yamamoto, Suguru Endo,
• Abstract要約: 我々は、絡み合った測定のオーバーヘッドを回避するために、一般化量子部分空間(GSE)の資源効率の高い実装であるDual-GSE'を提案する。 注目すべきことに、提案手法は、利用可能な量子ハードウェアのサイズを超えて、より大きな量子システムをシミュレートすることができる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.2862734221086987
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Realizing practical quantum computing requires overcoming a number of computation errors and the limitation of device size, which have intensively been tackled by quantum error mitigation (QEM) these days. As a unified approach of noise-agnostic QEM, generalized quantum subspace expansion (GSE) has lately been proposed to be remarkably robust against stochastic and coherent errors, integrating quantum subspace expansion and virtual state purification. However, the requirement in GSE to perform entangled measurements between copies of the quantum states remains a significant drawback under the current situation of quantum devices with a restricted number of qubits and their connectivity. In this work, we propose ``Dual-GSE'', a resource-efficient implementation of GSE to circumvent this overhead by constructing an ansatz of error-mitigated quantum states via dual-state purification without state copies. Remarkably, the proposed method can further simulate larger quantum systems beyond the size of available quantum hardware, achieved by a suitable ansatz construction inspired by the divide-and-conquer strategy that classically reintroduces the effect of entanglement. While classically forging the entanglement comes with additional cost, the total sampling overhead can be notably reduced by reusing the same Pauli expectation values among divided-and-conquered subsystems. We comprehensively analyze the advantages and overhead of Dual-GSE and perform numerical simulations of the eight-qubit transverse-field Ising model under various setups. Our results demonstrate that Dual-GSE estimates the ground state energy with high accuracy under gate noise with low mitigation overhead and practical sampling cost.
• Abstract（参考訳）: 現実的な量子コンピューティングを実現するには、最近の量子エラー軽減(QEM)によって、多くの計算エラーとデバイスサイズの制限を克服する必要がある。 ノイズ非依存QEMの統一的アプローチとして、一般化量子部分空間展開(GSE)は、最近、量子部分空間展開と仮想状態の浄化を統合することで、確率的およびコヒーレントなエラーに対して著しく堅牢であることが提案されている。 しかし、量子状態のコピー間で絡み合った測定を行うためのGSEの要件は、量子デバイスの現在の状況下では大きな欠点であり、量子ビットの数と接続性は制限されている。 本研究では,GSE の資源効率の高い実装である `Dual-GSE' を提案する。 興味深いことに、提案手法は、古典的にエンタングルメントの効果を再導入する分断・対数戦略にインスパイアされた適切なアンザッツ構造によって達成される、利用可能な量子ハードウェア以上の大きな量子システムをシミュレートすることができる。 古典的にはエンタングルメントの鍛造には追加のコストがかかるが、分割されたサブシステム間で同じパウリ期待値を再利用することで、サンプリングオーバーヘッドの合計を顕著に削減することができる。 我々は,Dual-GSEの利点とオーバーヘッドを包括的に分析し,様々な設定で8ビットの逆場イジングモデルの数値シミュレーションを行う。 以上の結果から,Dual-GSEはゲートノイズ下での基底状態エネルギーを高い精度で推定し,低低減オーバーヘッドと実用的なサンプリングコストを示した。

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