論文の概要: Exploiting many-body localization for scalable variational quantum simulation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2404.17560v3
• Date: Tue, 02 Sep 2025 09:20:41 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-04 17:24:09.011113
• 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(VQA)は、短期ハードウェア上での実用的な量子優位性を実現するための有望な経路である。 マルチボディローカライズド(MBL)フェーズにおけるハードウェア効率の良いフロケット構造型Ansatzの初期化は,バレンプラトーを緩和し,アルゴリズムの訓練性を高めることを実証する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.4509156851822589
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Variational quantum algorithms (VQAs) represent a promising pathway toward achieving practical quantum advantage on near-term hardware. Despite this promise, for generic, expressive ansatze, their scalability is critically hindered by barren plateaus--regimes of exponentially vanishing gradients. We demonstrate that initializing a hardware-efficient, Floquet-structured Ansatz within the many-body localized (MBL) phase mitigates barren plateaus and enhances algorithmic trainability. Through analysis of the inverse participation ratio, entanglement entropy, and a novel low-weight stabilizer R\'enyi entropy, we characterize a distinct MBL-thermalization transition. Below a critical kick strength, the circuit avoids forming a unitary 2-design, exhibits robust area-law entanglement, and maintains non-vanishing gradients. Leveraging this MBL regime facilitates the efficient variational preparation of ground states for several model Hamiltonians with significantly reduced computational resources. Crucially, experiments on IBM's 127-qubit Brisbane processor provide evidence for the preservation of trainable gradients in the MBL phase for a kicked Heisenberg chain, validating our approach on contemporary noisy hardware. Our findings position MBL-based initialization as a viable strategy for developing scalable VQAs and motivate the broader integration of localization phenomena into quantum algorithm design.
• Abstract（参考訳）: 変分量子アルゴリズム(VQA)は、短期ハードウェア上での実用的な量子優位性を実現するための有望な経路である。 この約束にもかかわらず、汎用的で表現力のあるアンサーゼでは、そのスケーラビリティは不規則な高原(指数関数的に消滅する勾配の登録)によって著しく妨げられる。 マルチボディローカライズド(MBL)フェーズにおけるハードウェア効率の良いフロケット構造型Ansatzの初期化は,バレンプラトーを緩和し,アルゴリズムの訓練性を高めることを実証する。 逆参加比、エンタングルメントエントロピー、および新しい低重量安定化器R'enyiエントロピーの解析を通じて、MBL-熱化遷移を特徴付ける。 臨界キック強度の下の回路は、ユニタリ2設計の形成を回避し、頑丈な領域法的な絡み合いを示し、非消滅的な勾配を維持する。 このMBL機構を活用することで、計算資源を著しく減らしたいくつかのモデルハミルトニアンの基底状態の効率的な変分準備が容易になる。 重要なことに、IBMの127キュービットのブリスベンプロセッサの実験は、キックされたハイゼンベルクチェーンのMBLフェーズにおけるトレーニング可能な勾配の保存の証拠を提供し、現代のノイズの多いハードウェアに対する我々のアプローチを検証する。 本研究は,MBLに基づく初期化をスケーラブルなVQAを開発するための実行可能な戦略と位置づけ,量子アルゴリズム設計への局所化現象のより広範な統合を動機付けている。

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