論文の概要: Distributed Simulation of Statevectors and Density Matrices

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2311.01512v1
• Date: Thu, 2 Nov 2023 18:00:36 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-11-06 16:12:52.368349
• Title: Distributed Simulation of Statevectors and Density Matrices
• Title（参考訳）: 状態ベクトルと密度行列の分散シミュレーション
• Authors: Tyson Jones, B\'alint Koczor, Simon C. Benjamin
• Abstract要約: 本論文は,デジタル量子コンピュータにおけるゲート,演算子,ノイズチャネル,その他の計算の分散フルステートシミュレーションのための新しいアルゴリズムを多数提示する。 単純で、一般的だが、一見制限的な分布モデルによって、リッチな先進的な施設の集合が実際に許されることを示す。 我々の結果は量子情報理論の読者に親しみやすい言語で導かれ、我々のアルゴリズムは科学シミュレーションコミュニティのために形式化されている。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Classical simulation of quantum computers is an irreplaceable step in the design of quantum algorithms. Exponential simulation costs demand the use of high-performance computing techniques, and in particular distribution, whereby the quantum state description is partitioned between a network of cooperating computers - necessary for the exact simulation of more than approximately 30 qubits. Distributed computing is notoriously difficult, requiring bespoke algorithms dissimilar to their serial counterparts with different resource considerations, and which appear to restrict the utilities of a quantum simulator. This manuscript presents a plethora of novel algorithms for distributed full-state simulation of gates, operators, noise channels and other calculations in digital quantum computers. We show how a simple, common but seemingly restrictive distribution model actually permits a rich set of advanced facilities including Pauli gadgets, many-controlled many-target general unitaries, density matrices, general decoherence channels, and partial traces. These algorithms include asymptotically, polynomially improved simulations of exotic gates, and thorough motivations for high-performance computing techniques which will be useful for even non-distributed simulators. Our results are derived in language familiar to a quantum information theory audience, and our algorithms formalised for the scientific simulation community. We have implemented all algorithms herein presented into an isolated, minimalist C++ project, hosted open-source on Github with a permissive MIT license, and extensive testing. This manuscript aims both to significantly improve the high-performance quantum simulation tools available, and offer a thorough introduction to, and derivation of, full-state simulation techniques.
• Abstract（参考訳）: 量子コンピュータの古典的シミュレーションは、量子アルゴリズムの設計において取り替えられないステップである。 指数関数的シミュレーションコストは、高性能コンピューティング技術、特に分散技術の使用を要求するため、量子状態記述は、約30キュービット以上の正確なシミュレーションに必要な、協調するコンピュータのネットワークに分割される。 分散コンピューティングは悪名高い難題であり、量子シミュレーターの効用を制限するように思える、異なるリソースを考慮した直列のアルゴリズムと類似したアルゴリズムを必要とする。 本論文は,デジタル量子コンピュータにおけるゲート,演算子,ノイズチャネル,その他の計算の分散フルステートシミュレーションのための新しいアルゴリズムを多数提示する。 単純な分布モデルによって,パウリガジェット,多目的汎用ユニタリ,密度行列,一般デコヒーレンスチャネル,部分的トレースなど,高度な機能セットが実際に利用可能になることを示す。 これらのアルゴリズムには漸近的、多項式的に改良されたエキゾチックゲートのシミュレーション、非分散シミュレータにも役立つ高性能コンピューティング技術の徹底した動機が含まれる。 結果は,量子情報理論の聴衆に親しみやすい言語で導出され,科学的シミュレーションコミュニティのために形式化されたアルゴリズムである。 ここではすべてのアルゴリズムを、孤立した最小限のc++プロジェクトとして実装し、寛容なmitライセンスでgithubにオープンソースをホストし、広範囲なテストを行いました。 この原稿は、利用可能な高性能量子シミュレーションツールを大幅に改善することを目的としており、フルステートシミュレーション技術の徹底的な紹介と導出を提供する。

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