論文の概要: phase2: Full-State Vector Simulation of Quantum Time Evolution at Scale

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.17881v1
• Date: Thu, 24 Apr 2025 18:41:23 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-05-02 19:15:53.551252
• Title: phase2: Full-State Vector Simulation of Quantum Time Evolution at Scale
• Title（参考訳）: フェーズ2: スケールにおける量子時間進化のフル状態ベクトルシミュレーション
• Authors: Marek Miller, Jakob Günther, Freek Witteveen, Matthew S. Teynor, Mihael Erakovic, Markus Reiher, Gemma C. Solomon, Matthias Christandl,
• Abstract要約: 量子コンピュータの大規模古典シミュレーションは、量子アルゴリズムのベンチマークに不可欠である。 パウリ作用素の列を囲む回転層のHPCシミュレーションを行うために,実状態ベクトルシミュレーションアルゴリズムとソフトウェア実装を提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.8223023312645978
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Large-scale classical simulation of quantum computers is crucial for benchmarking quantum algorithms, establishing boundaries of quantum advantage and exploring heuristic quantum algorithms. We present a full-state vector simulation algorithm and software implementation designed to perform HPC simulation of layers of rotations around a string of Pauli operators. We demonstrate robust scalability of the simulation method on large distributed CPU and GPU systems. Our distributed computation harnessed up to $16\,384$ CPU cores and $512$ NVIDIA H100 GPUs, using $32$ TB of memory. The simulator significantly outperforms other high-performance libraries, showing a typical speedup of $10-100$ for large-scale multi-GPU workloads. As a first application of our approach, we report a numerical experiment aimed at simulating exactly Hamiltonian dynamics of up to 40 qubits to investigate the Trotter error for a quantum chemistry problem. Bounding the Trotter error is important for evaluating the cost of quantum algorithms for chemistry, and rigorous bounds are often conservative, as our simulations confirm. Our software, specifically designed for quantum time evolution applications, is also well equipped to manage circuits that utilize standard gate sets.
• Abstract（参考訳）: 量子コンピュータの大規模古典シミュレーションは、量子アルゴリズムのベンチマーク、量子優位性の境界の設定、ヒューリスティック量子アルゴリズムの探索に不可欠である。 パウリ作用素の列を囲む回転層のHPCシミュレーションを行うために,実状態ベクトルシミュレーションアルゴリズムとソフトウェア実装を提案する。 大規模分散CPUおよびGPUシステム上でのシミュレーション手法の堅牢な拡張性を実証する。 分散計算では、CPUコアが16,384ドル、NVIDIA H100 GPUが512ドル、メモリが32ドルだった。 シミュレータは他の高性能ライブラリよりも大幅に優れており、大規模マルチGPUワークロードでは典型的な10-100ドルのスピードアップを示している。 提案手法の第一の応用として,量子化学問題のトロッター誤差を調べるために,最大40量子ビットのハミルトン力学を正確にシミュレーションすることを目的とした数値実験を報告する。 トロッター誤差の境界は化学の量子アルゴリズムのコストを評価する上で重要であり、我々のシミュレーションが確認しているように、厳密な境界はしばしば保守的である。 我々のソフトウェアは、特に量子時間進化の応用のために設計されており、標準ゲートセットを利用する回路の管理にも適している。

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