論文の概要: Estimating the electrical energy cost of performing arbitrary state preparation using qubits and qudits in integrated photonic circuits
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2402.16603v2
- Date: Tue, 19 Mar 2024 19:53:44 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-03-21 21:28:43.166028
- Title: Estimating the electrical energy cost of performing arbitrary state preparation using qubits and qudits in integrated photonic circuits
- Title（参考訳）: 集積フォトニック回路における量子ビットと量子ビットを用いた任意の状態準備を行うための電気エネルギーコストの推定
- Authors: Maria Carolina Volpato, Pierre-Louis de Assis,
- Abstract要約: 我々は、量子状態の準備を行うためにフォトニック回路をプログラムするために費やされる電気エネルギーの量の観点から、qubitとquditのアプローチを比較した。
完全に再構成可能な干渉計の配列を持つPICを使用する場合、キュービットを使用するにはキュービットを使用するよりも多くのエネルギーを必要とする。
しかしながら、専用CNOTブロックを持つ回路はエネルギー消費がはるかに小さく、大きな量子ビット数でも有効であることを示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: When using single photons and photonic integrated circuits (PICs) for quantum information processing, quantum states can be encoded using either qubits or qudits. Qudits are more efficient in terms of requiring less photons (in principle, only one) to encode the state, while qubits are more efficient in terms of the number of waveguides used to reach the same dimension $d$, as qudits need $d$ waveguides in comparison to the $2\log_2d$ waveguides used by qubits. For dimensions large enough for useful tasks, this would indicate that qubits are clearly the best option, as other resources scale at least polynomially with the number of waveguides in the PIC. The comparison, however, is not so direct. We consider the task of quantum state preparation, which is relevant for variational quantum algorithms, for instance. For n qubits, this task requires the circuit to have a number of Controlled-NOT (CNOT) gates that is exponential in n. Since both implementations suffer from an exponential resource cost, a more detailed evaluation is required. We compare the qubit and qudit approaches in terms of the amount of electrical energy that must be spent, on average, to program a photonic circuit to perform quantum state preparation. We find that if a PIC with a fully reconfigurable array of interferometers is to be used, using qubits requires more energy than using qudits. We show, however, that a circuit with dedicated CNOT blocks has a much smaller energy consumption, remaining viable even at large qubit numbers, where more important bottlenecks come into play, such as the probabilistic nature of the CNOT gates.
- Abstract（参考訳）: 量子情報処理に単一光子とフォトニック集積回路(PIC)を用いる場合、量子状態は量子ビットまたは量子ビットを用いて符号化することができる。
量子ビットは、量子ビットが使用する2.log_2d$導波管と比較して$d$の導波管を必要とするため、同じ次元に達するのに使用される導波管の数より効率的である。
有用なタスクに十分な大きさの次元については、他のリソースが少なくともPICの導波路の数と多項式的にスケールするため、これは明らかに量子ビットが最良の選択肢であることを示している。
しかし、比較はそれほど直接的ではない。
例えば、変分量子アルゴリズムに関係のある量子状態準備の課題について考察する。
n 個の量子ビットに対して、このタスクは回路に n で指数関数的な多くの制御NOT(CNOT)ゲートを持つ必要がある。
どちらの実装も指数的なリソースコストに悩まされているため、より詳細な評価が必要である。
我々は、量子状態の準備を行うためのフォトニック回路をプログラムするために、平均して費やされる電気エネルギーの量の観点から、キュービットとキューディットのアプローチを比較した。
完全に再構成可能な干渉計の配列を持つPICを使用する場合、キュービットを使用するにはキュービットを使用するよりも多くのエネルギーを必要とする。
しかしながら、専用CNOTブロックを持つ回路はエネルギー消費がはるかに小さく、CNOTゲートの確率的性質など、より重要なボトルネックが発生するような大きな量子ビット数でも有効であることを示す。
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