論文の概要: Simulating quantum circuits with restricted quantum computers

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2503.21773v1
• Date: Thu, 27 Mar 2025 17:59:45 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-03-28 12:51:56.400011
• Title: Simulating quantum circuits with restricted quantum computers
• Title（参考訳）: 制限量子コンピュータによる量子回路のシミュレーション
• Authors: Christophe Piveteau,
• Abstract要約: この論文は、局所量子演算を用いた非局所量子計算のシミュレーションに特化している。 本研究では, 広域な非局所状態およびチャネルの最適シミュレーションオーバーヘッドを特徴付ける。 また,地域間の古典的コミュニケーションの有用性についても検討する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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• Abstract: It is one of the most fundamental objectives in quantum information science to understand the boundary between the computational power of classical and quantum computers. One possible avenue to explore this boundary is to identify classes of quantum circuits that can be efficiently simulated on a classical computer. Instead of simulating a general quantum circuit with a classical device, new schemes have recently emerged to simulate them on a quantum device that is restricted in some manner. As such, these techniques allow us to study how the restrictions impact the computational power of the device. One such technique is called quasiprobability simulation (QPS) and it estimates the result of a quantum circuit with a Monte Carlo procedure that randomly replaces circuit elements with ones that can be executed on the restricted quantum device. The main focus of this thesis is dedicated to the QPS-based simulation of nonlocal quantum computation using local quantum operations. On the practical side, this enables the simulation of large quantum circuits using multiple smaller quantum devices - a procedure that is sometimes called circuit knitting. We uncover a rich mathematical formalism with many connections to the resource theory of entanglement. We characterize the optimal simulation overhead for a broad range of practically relevant nonlocal states and channels and we explicitly provide achieving protocols. Moreover, we also investigate the utility of classical communication between the local parties. Our results address both the single-shot and asymptotic regime. We frame QPS in a quantum resource theoretic framework, which highlights similarities that arise in the different instantiations of the technique. Furthermore, we study the importance of classical side information in the QPS procedure and how it impacts the overhead and expressibility of QPS.
• Abstract（参考訳）: これは古典コンピュータと量子コンピュータの計算能力の境界を理解するための量子情報科学の最も基本的な目的の1つである。 この境界を探索する方法の1つは、古典的なコンピュータで効率的にシミュレートできる量子回路のクラスを特定することである。 一般的な量子回路を古典的なデバイスでシミュレートする代わりに、何らかの方法で制限された量子デバイス上でそれらをシミュレートする新たなスキームが最近登場した。 このような手法により,制約が装置の計算能力にどのように影響するかを研究できる。 そのような手法の1つは準確率シミュレーション (QPS) と呼ばれ、制限された量子デバイス上で実行可能な回路要素をランダムに置き換えるモンテカルロ法を用いて量子回路の結果を推定する。 この論文の主な焦点は、局所量子演算を用いた非局所量子計算のQPSに基づくシミュレーションである。 実用面では、これは複数の小さな量子デバイスを用いた大規模な量子回路のシミュレーションを可能にする。 我々は、絡み合いの資源理論と多くの関係を持つリッチな数学的形式主義を明らかにする。 提案手法は,多種多様な非局所状態およびチャネルに対して最適なシミュレーションオーバーヘッドを特徴付ける。 また,地域間の古典的コミュニケーションの有用性についても検討する。 以上の結果から, 単発症状と漸近症状の両方に対処した。 我々はQPSを量子資源理論の枠組みで構成し、この手法の異なるインスタンス化で生じる類似点を強調する。 さらに,QPS手順における古典的側情報の重要性と,それがQPSのオーバーヘッドと表現性に与える影響について検討した。

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