論文の概要: Quantum circuit simulation with a local time-dependent variational principle

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.10096v1
• Date: Wed, 13 Aug 2025 18:00:02 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-15 22:24:48.073191
• Title: Quantum circuit simulation with a local time-dependent variational principle
• Title（参考訳）: 局所時間依存性変動原理を用いた量子回路シミュレーション
• Authors: Aaron Sander, Maximilian Fröhlich, Mazen Ali, Martin Eigel, Jens Eisert, Michael Hintermüller, Christian B. Mendl, Richard M. Milbradt, Robert Wille,
• Abstract要約: 我々は,量子コンピューティング,凝縮物質などのための最先端回路シミュレーション手法を開発した。 3つのハミルトニアン回路(1Dオープンおよび周期ハイゼンベルク、2D7x7イジング)と2つのアルゴリズム回路(量子近似最適化、ハードウェア効率アンサッツ)をベンチマークする。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.2627671295262215
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Classical simulations of quantum circuits are vital for assessing potential quantum advantage and benchmarking devices, yet they require sophisticated methods to avoid the exponential growth of resources. Tensor network approaches, in particular matrix product states (MPS) combined with the time-evolving block decimation (TEBD) algorithm, currently dominate large-scale circuit simulations. These methods scale efficiently when entanglement is limited but suffer rapid bond dimension growth with increasing entanglement and handle long-range gates via costly SWAP insertions. Motivated by the success of the time-dependent variational principle (TDVP) in many-body physics, we reinterpret quantum circuits as a series of discrete time evolutions, using gate generators to construct an MPS-based circuit simulation via a local TDVP formulation. This addresses TEBD's key limitations by (1) naturally accommodating long-range gates and (2) optimally representing states on the MPS manifold. By diffusing entanglement more globally, the method suppresses local bond growth and reduces memory and runtime costs. We benchmark the approach on five 49-qubit circuits: three Hamiltonian circuits (1D open and periodic Heisenberg, 2D 7x7 Ising) and two algorithmic ones (quantum approximate optimization, hardware-efficient ansatz). Across all cases, our method yields substantial resource reductions over standard tools, establishing a new state-of-the-art for circuit simulation and enabling advances across quantum computing, condensed matter, and beyond.
• Abstract（参考訳）: 量子回路の古典的なシミュレーションは、潜在的な量子優位性とベンチマーク装置を評価するのに不可欠であるが、資源の指数的な成長を避けるために洗練された方法が必要である。 テンソルネットワークアプローチ、特に行列積状態(MPS)と時間進化ブロックデシメーション(TEBD)アルゴリズムの組み合わせは、現在大規模な回路シミュレーションを支配している。 これらの方法は、絡み合いが制限されているときに効率よくスケールするが、絡み合いが増大するにつれて急激な結合次元の増大に悩まされ、SWAP挿入により長距離ゲートを処理する。 多体物理学における時間依存変動原理(TDVP)の成功により、我々は量子回路を一連の離散時間進化として再解釈し、ゲートジェネレータを用いて局所的なTDVP定式化によるMPSベースの回路シミュレーションを構築する。 これにより、TEBD の鍵となる制限は、(1) が自然に長距離ゲートを共役し、(2) MPS 多様体上の状態を最適に表現することによって解決される。 よりグローバルに絡み合いを拡散することにより、局所的な結合成長を抑制し、メモリと実行コストを削減できる。 3つのハミルトニアン回路(1Dオープンおよび周期ハイゼンベルク、2D7x7イジング)と2つのアルゴリズム回路(量子近似最適化、ハードウェア効率アンサッツ)をベンチマークした。 いずれの場合も,本手法は標準ツールよりも大幅なリソース削減を実現し,回路シミュレーションのための新たな最先端技術を確立し,量子コンピューティング,凝縮物質などの進歩を可能にする。

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