論文の概要: Subspace-Based Local Compilation of Variational Quantum Circuits for Large-Scale Quantum Many-Body Simulation
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2407.14163v1
- Date: Fri, 19 Jul 2024 09:50:01 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-07-22 18:04:03.551065
- Title: Subspace-Based Local Compilation of Variational Quantum Circuits for Large-Scale Quantum Many-Body Simulation
- Title（参考訳）: 大規模量子多体シミュレーションのための部分空間に基づく変分量子回路の局所コンパイル
- Authors: Shota Kanasugi, Yuichiro Hidaka, Yuya O. Nakagawa, Shoichiro Tsutsui, Norifumi Matsumoto, Kazunori Maruyama, Hirotaka Oshima, Shintaro Sato,
- Abstract要約: 本稿では,時間進化演算子をコンパイルするためのハイブリッド量子古典アルゴリズムを提案する。
精度を保ちながら、トロッタライゼーションに比べて95%の回路深さの低減を実現している。
我々は,LSVQCを用いて,短期量子コンピューティングアーキテクチャ上での量子シミュレーションの実行に必要なゲート数を推定する。
- 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: Simulation of quantum many-body systems is a promising application of quantum computers. However, implementing the time-evolution operator as a quantum circuit efficiently on near-term devices with limited resources is challenging. Standard approaches like Trotterization often require deep circuits, making them impractical. This paper proposes a hybrid quantum-classical algorithm called Local Subspace Variational Quantum Compilation (LSVQC) for compiling the time-evolution operator. The LSVQC uses variational optimization to reproduce the action of the target time-evolution operator within a physically reasonable subspace. Optimization is performed on small local subsystems based on the Lieb-Robinson bound, allowing for cost function evaluation using small-scale quantum devices or classical computers. Numerical simulations on a spin-lattice model and an $\mathit{\text{ab initio}}$ effective model of strongly correlated material Sr$_2$CuO$_3$ demonstrate the algorithm's effectiveness. It is shown that the LSVQC achieves a 95% reduction in circuit depth compared to Trotterization while maintaining accuracy. The subspace restriction also reduces resource requirements and improves accuracy. Furthermore, we estimate the gate count needed to execute the quantum simulations using the LSVQC on near-term quantum computing architectures in the noisy intermediate-scale or early fault-tolerant quantum computing era. Our estimation suggests that the acceptable physical gate error rate for the LSVQC can be significantly larger than for Trotterization.
- Abstract（参考訳）: 量子多体系のシミュレーションは量子コンピュータの有望な応用である。
しかし,時間進化演算子を資源不足の短期デバイス上で効率よく量子回路として実装することは困難である。
トロタライゼーションのような標準的なアプローチは、しばしば深い回路を必要とするため、実用的ではない。
本稿では、時間進化演算子をコンパイルするローカル部分空間変分量子コンパイル(LSVQC)と呼ばれるハイブリッド量子古典アルゴリズムを提案する。
LSVQCは、物理的に合理的な部分空間内のターゲット時間進化演算子の動作を再現するために変分最適化を使用する。
最適化は、Lieb-Robinson境界に基づく小さなローカルサブシステム上で行われ、小型の量子デバイスや古典的コンピュータを用いたコスト関数の評価を可能にする。
スピン格子モデルと$\mathit{\text{ab initio}}$強相関物質Sr$_2$CuO$_3$の有効モデルに関する数値シミュレーションは、アルゴリズムの有効性を実証する。
LSVQCは、精度を保ちながら、トロッタライゼーションに比べて95%の回路深さの低減を実現している。
サブスペース制限はまた、リソースの要求を減らし、精度を向上させる。
さらに,LSVQCを用いて,雑音の多い中間スケールあるいは早期のフォールトトレラント量子コンピューティング時代において,短期量子コンピューティングアーキテクチャ上での量子シミュレーションを実行するために必要なゲート数を推定する。
我々の推定では, LSVQCの物理ゲート誤り率はトロッタライズよりも有意に大きいことが示唆された。
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