論文の概要: Efficient Simulation of High-Level Quantum Gates
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.04337v1
- Date: Sun, 06 Jul 2025 10:48:42 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-07-08 15:46:35.126955
- Title: Efficient Simulation of High-Level Quantum Gates
- Title（参考訳）: 高レベル量子ゲートの効率的なシミュレーション
- Authors: Adam Husted Kjelstrøm, Andreas Pavlogiannis, Jaco van de Pol,
- Abstract要約: 既存のシミュレーション手法では、シミュレーションの前に低レベルゲートセットにコンパイルする必要がある。
これにより、高レベルゲートの数が小さい場合でも、回路サイズが増加し、かなりのオーバーヘッド(典型的には指数関数)が発生する。
本稿では,高階ゲートを直接シミュレートするガジェットベースシミュレータを提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.0928226965455154
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Quantum circuit simulation is paramount to the verification and optimization of quantum algorithms, and considerable research efforts have been made towards efficient simulators. While circuits often contain high-level gates such as oracles and multi-controlled X (CkX) gates, existing simulation methods require compilation to a low-level gate-set before simulation. This, however, increases circuit size and incurs a considerable (typically exponential) overhead, even when the number of high-level gates is small. Here we present a gadget-based simulator which simulates high-level gates directly, thereby allowing to avoid or reduce the blowup of compilation. Our simulator uses a stabilizer decomposition of the magic state of non-stabilizer gates, with improvements in the rank of the magic state directly improving performance. We then proceed to establish a small stabilizer rank for a range of high-level gates that are common in various quantum algorithms. Using these bounds in our simulator, we improve both the theoretical complexity of simulating circuits containing such gates, and the practical running time compared to standard simulators found in IBM's Qiskit Aer library. We also derive exponential lower-bounds for the stabilizer rank of some gates under common complexity-theoretic hypotheses. In certain cases, our lower-bounds are asymptotically tight on the exponent.
- Abstract（参考訳）: 量子回路シミュレーションは量子アルゴリズムの検証と最適化に最重要であり、効率的なシミュレータに向けたかなりの研究努力がなされている。
回路はオークルやマルチコントロールX(CkX)ゲートのような高レベルゲートを含むことが多いが、既存のシミュレーション手法ではシミュレーションの前に低レベルゲートセットにコンパイルする必要がある。
しかし、これは回路サイズを増大させ、高レベルゲートの数が少なくてもかなりの(通常指数関数的な)オーバーヘッドを引き起こす。
本稿では,高階ゲートを直接シミュレートするガジェットベースシミュレータを提案する。
本シミュレータでは,非安定化ゲートのマジック状態を安定化器分解し,マジック状態のランクを向上し,性能を向上する。
次に、様々な量子アルゴリズムに共通する様々な高レベルゲートに対して、小さな安定化器のランクを確立する。
シミュレータにおけるこれらの境界を用いて、そのようなゲートを含む回路をシミュレートする理論的複雑さと、IBMのQiskit Aerライブラリにある標準シミュレータと比較して実行時間の両方を改善する。
また、共通複雑性理論仮説の下で、いくつかのゲートの安定化ランクに対して指数的な下界を導出する。
場合によっては、我々の下限は指数に対して漸近的にきつい。
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