論文の概要: Reducing T Gates with Unitary Synthesis

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2503.15843v1
• Date: Thu, 20 Mar 2025 04:53:54 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-03-21 16:33:21.681146
• Title: Reducing T Gates with Unitary Synthesis
• Title（参考訳）: 単元合成によるTゲートの低減
• Authors: Tianyi Hao, Amanda Xu, Swamit Tannu,
• Abstract要約: 本研究は、任意の単一ビットのユニタリを直接合成する新しいFT合成アルゴリズムを提案する。 テンソルネットワークを用いた探索により,ネイティブな$U3$合成が可能となり,$T$カウント,Cliffordゲートカウント,近似誤差が低減される。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.41873449350124814
• License:
• Abstract: Quantum error correction is essential for achieving practical quantum computing but has a significant computational overhead. Among fault-tolerant (FT) gate operations, non-Clifford gates, such as $T$, are particularly expensive due to their reliance on magic state distillation. These costly $T$ gates appear frequently in FT circuits as many quantum algorithms require arbitrary single-qubit rotations, such as $R_x$ and $R_z$ gates, which must be decomposed into a sequence of $T$ and Clifford gates. In many quantum circuits, $R_x$ and $R_z$ gates can be fused to form a single $U3$ unitary. However, existing synthesis methods, such as gridsynth, rely on indirect decompositions, requiring separate $R_z$ decompositions that result in a threefold increase in $T$ count. This work presents a novel FT synthesis algorithm that directly synthesizes arbitrary single-qubit unitaries, avoiding the overhead of separate $R_z$ decompositions. By leveraging tensor network-based search, our approach enables native $U3$ synthesis, reducing the $T$ count, Clifford gate count, and approximation error. Compared to gridsynth-based circuit synthesis, for 187 representative benchmarks, our design reduces the $T$ count by up to $3.5\times$, and Clifford gates by $7\times$, resulting in up to $4\times$ improvement in overall circuit infidelity.
• Abstract（参考訳）: 量子誤り訂正は、実用的な量子コンピューティングを達成するために不可欠であるが、計算オーバーヘッドがかなり大きい。 耐故障性ゲート(FT)の操作の中で、T$のような非クリフォードゲートは、マジックステート蒸留に依存しているため、特に高価である。 これらの高価な$T$ゲートはFT回路で頻繁に現れるが、多くの量子アルゴリズムは$R_x$や$R_z$ゲートのような任意の単一量子ビット回転を必要とするため、$T$とCliffordゲートの列に分解する必要がある。 多くの量子回路では、$R_x$と$R_z$ゲートは融合して単一の$U3$ユニタリを形成することができる。 しかし、グリッドシンスのような既存の合成法は間接分解に依存し、別の$R_z$分解を必要とし、結果として$T$が3倍増加する。 本研究では、任意の単一ビットのユニタリを直接合成し、R_z$分解のオーバーヘッドを回避する新しいFT合成アルゴリズムを提案する。 テンソルネットワークを用いた探索により,ネイティブな$U3$合成が可能となり,$T$カウント,Cliffordゲートカウント,近似誤差が低減される。 グリッドシンスベースの回路合成と比較すると、187の代表的なベンチマークでは、T$のカウントを3.5\times$に、Cliffordのゲートを7\times$に減らし、回路全体の不整合を最大4\times$に改善しました。

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