論文の概要: Exploiting many-body localization for scalable variational quantum simulation
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2404.17560v2
- Date: Mon, 20 May 2024 13:01:09 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-05-21 22:21:29.287515
- Title: Exploiting many-body localization for scalable variational quantum simulation
- Title（参考訳）: スケーラブルな変動量子シミュレーションのための多体ローカライゼーション
- Authors: Chenfeng Cao, Yeqing Zhou, Swamit Tannu, Nic Shannon, Robert Joynt,
- Abstract要約: 変分量子アルゴリズムは、短期量子デバイスを用いた実用的な量子アドバンテージを達成するための有望なアプローチとして登場した。
その可能性にもかかわらず、これらのアルゴリズムのスケーラビリティは大きな課題となる。
本研究では,Floquet-kickd変分量子回路のフレームワーク内での多体局在(MBL)熱化相転移について検討する。
- 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: Variational quantum algorithms have emerged as a promising approach to achieving practical quantum advantages using near-term quantum devices. Despite their potential, the scalability of these algorithms poses a significant challenge. This is largely attributed to the "barren plateau" phenomenon, which persists even in the absence of noise. In this work, we explore the many-body localization (MBL)-thermalization phase transitions within a framework of Floquet-initialized variational quantum circuits and investigate how MBL could be used to avoid barren plateaus. The phase transitions are observed through calculations of the inverse participation ratio, the entanglement entropy, and a metric termed low-weight stabilizer R\'enyi entropy. By initializing the circuit in the MBL phase and employing an easily preparable initial state, we find it is possible to prevent the formation of a unitary 2-design, resulting in an output state with entanglement that follows an area- rather than a volume-law, and which circumvents barren plateaus throughout the optimization. Utilizing this methodology, we successfully determine the ground states of various model Hamiltonians across different phases and show that the resources required for the optimization are significantly reduced. We have further validated the MBL approach through experiments carried out on the 127-qubit $ibm\_brisbane$ quantum processor. These experiments confirm that the gradients needed to carry out variational calculations are restored in the MBL phase of a Heisenberg model subject to random unitary "kicks". These results provide new insights into the interplay between MBL and quantum computing, and suggest that the role of MBL states should be considered in the design of quantum algorithms.
- Abstract（参考訳）: 変分量子アルゴリズムは、短期量子デバイスを用いた実用的な量子アドバンテージを達成するための有望なアプローチとして登場した。
その可能性にもかかわらず、これらのアルゴリズムのスケーラビリティは大きな課題となる。
これは、ノイズがなくても持続する「不規則な高原」現象に大きく起因している。
本研究では,Floquet-initialized variational quantum circuitsの枠組み内での多体局在化(MBL)熱化相転移について検討し,MBLがバレンプラトーを回避するためにどのように使用できるかを検討する。
位相遷移は、逆参加比、絡み合いエントロピー、および計量として低重安定化器R'enyiエントロピーの計算によって観測される。
MBL相の回路を初期化し、容易に準備可能な初期状態を用いることで、ユニタリな2-設計の形成を防止でき、その結果、体積法ではなく領域を絡み合う出力状態となり、最適化を通してバレンプラトーを回避できる。
この手法を用いることで、異なるフェーズにわたる様々なモデルハミルトンの基底状態の判定に成功し、最適化に必要なリソースが大幅に削減されることを示す。
我々は127キュービットの$ibm\_brisbane$量子プロセッサで行った実験を通じて、MBLアプローチをさらに検証した。
これらの実験は、変分計算を行うために必要な勾配が、ランダムなユニタリな「キック」を受けるハイゼンベルクモデルのMBL相で復元されることを確認した。
これらの結果は、MBLと量子コンピューティングの相互作用に関する新たな洞察を与え、量子アルゴリズムの設計において、MBL状態の役割を考慮するべきであることを示唆している。
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