論文の概要: Exponentially accurate open quantum simulation via randomized dissipation with minimal ancilla
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2412.19453v2
- Date: Wed, 12 Mar 2025 03:07:22 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-03-13 23:33:23.32018
- Title: Exponentially accurate open quantum simulation via randomized dissipation with minimal ancilla
- Title（参考訳）: 最小アンシラを用いたランダム化散逸による指数的高精度オープン量子シミュレーション
- Authors: Jumpei Kato, Kaito Wada, Kosuke Ito, Naoki Yamamoto,
- Abstract要約: リンドブラッド力学をシミュレートするいくつかの量子アルゴリズムは、精度$varepsilon$で対数的に短い回路深さを達成する。
観測可能な推定を目的とした複数のジャンプ演算子を用いて一般リンドブラッド力学をシミュレーションする量子アルゴリズムを提案し,対数的に短い回路深さと最小アンシラサイズの両方を達成する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.35794129023851595
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Simulating open quantum systems is an essential technique for understanding complex physical phenomena and advancing quantum technologies. Some quantum algorithms for simulating Lindblad dynamics achieve logarithmically short circuit depth in terms of accuracy $\varepsilon$ by coherently encoding all possible jump processes with a large ancilla consumption. Minimizing the space complexity while achieving such a logarithmic depth remains an important challenge. In this work, we present a quantum algorithm for simulating general Lindblad dynamics with multiple jump operators aimed at an observable estimation, that achieves both a logarithmically short circuit depth and a minimum ancilla size. Toward simulating an exponentially accurate Taylor expansion of the Lindblad propagator to ensure the circuit depth of $\mathcal{O}(\log(1/\varepsilon))$, we develop a novel random circuit compilation method that leverages dissipative processes with only a single jump operator; importantly, the proposed method requires the minimal-size, $4 + \lceil \log M \rceil$, ancilla qubits where each single jump operator has at most $M$ Pauli strings. Furthermore, the gate complexity depends on neither the number of terms in Hamiltonian nor the number of jump operators, owing to the random compilation. This work represents a significant step towards making open quantum system simulations more feasible on early fault-tolerant quantum computing devices.
- Abstract（参考訳）: オープン量子システムのシミュレーションは、複雑な物理現象を理解し、量子技術の進歩に欠かせない技術である。
リンドブラッド力学をシミュレートするいくつかの量子アルゴリズムは、精度$\varepsilon$で対数的に短い回路深さを達成する。
このような対数深度を達成しながら空間の複雑さを最小化することは、依然として重要な課題である。
本研究では,複数のジャンプ演算子を用いて一般リンドブラッド力学をシミュレートする量子アルゴリズムを提案し,対数的に短い回路深さと最小アンシラサイズの両方を実現する。
回路深さが$\mathcal{O}(\log(1/\varepsilon))$を確実にするために、リンドブラッドプロパゲータの指数的に正確なテイラー展開をシミュレートするために、単一跳躍作用素だけで散逸過程を利用する新しいランダム回路コンパイル法を開発する。
さらに、ゲートの複雑性は、ランダムコンパイルのため、ハミルトンの項数やジャンプ作用素の数にも依存しない。
この研究は、初期のフォールトトレラントな量子コンピューティングデバイス上で、オープン量子システムシミュレーションをより実現可能にするための重要なステップである。
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