論文の概要: Quantum Circuit Optimization for the Fault-Tolerance Era: Do We Have to Start from Scratch?

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.02668v1
• Date: Tue, 02 Sep 2025 18:00:00 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-04 21:40:46.289414
• Title: Quantum Circuit Optimization for the Fault-Tolerance Era: Do We Have to Start from Scratch?
• Title（参考訳）: フォールトトレランス時代の量子回路最適化:スクラッチから始めるか?
• Authors: Tobias Forster, Nils Quetschlich, Robert Wille,
• Abstract要約: 量子コンピューティングはここ数年、ハードウェアとソフトウェアの両方において大きな進歩を遂げてきた。 現在のノイズ中規模量子(NISQ)ハードウェアは、まだノイズの影響が大きい。 本研究では、異なる最適化パスが量子回路の代表的な選択に与える影響について検討する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.961442902343596
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Quantum computing has made significant advancements in the last years in both hardware and software. Unfortunately, the currently available Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) hardware is still heavily affected by noise. Many optimization techniques have been developed to reduce the negative effects thereof, which, however, only works up to a certain point. Therefore, scaling quantum applications from currently considered small research examples to industrial applications requires error-correction techniques to execute quantum circuits in a fault-tolerant fashion and enter the Fault-Tolerant Quantum Computing (FTQC) era. These error-correction techniques introduce dramatic qubit overheads, leading to the requirement of tens of thousands of qubits already for toy-sized examples. Hence, quantum circuit optimization that reduces qubit overheads when shifting from the NISQ to the FTQC era is essential. This raises the question, whether we need to start from scratch, or whether current state-of-the-art optimization techniques can be used as a basis for this. To approach this question, this work investigates the effects of different optimization passes on a representative selection of quantum circuits. Since hardly any tools to automatically design and evaluate FTQC quantum circuits exist yet, we utilize resource estimation to compare the (potential) benefits gained by applying NISQ quantum circuit optimization to estimated FTQC resource requirements. The results indicate that, indeed, the estimated resource requirements for FTQC can be improved by applying NISQ quantum circuit optimization techniques. At the same time, more detailed investigations show what techniques lead to more benefits for FTQC compared to others, providing guidelines for the transfer of NISQ optimization techniques to the FTQC era.
• Abstract（参考訳）: 量子コンピューティングはここ数年、ハードウェアとソフトウェアの両方において大きな進歩を遂げてきた。 残念なことに、現在利用可能なNISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum)ハードウェアはまだノイズの影響が大きい。 負の効果を減らすために多くの最適化技術が開発されているが、それはある時点までしか機能しない。 したがって、現在検討されている小さな研究例から産業アプリケーションへの量子アプリケーションをスケールするには、フォールトトレラントな方法で量子回路を実行し、フォールトトレラント量子コンピューティング(FTQC)時代に入るためのエラー補正技術が必要である。 これらの誤差補正技術は劇的な量子ビットオーバーヘッドをもたらし、すでにおもちゃサイズの例では数万の量子ビットを必要とする。 したがって、NISQからFTQC時代へ移行する際のキュービットオーバーヘッドを低減する量子回路最適化が不可欠である。 これにより、スクラッチから始める必要があるのか、現在の最先端の最適化テクニックを基盤として使用できるのか、という疑問が持ち上がる。 この問題に対処するために、異なる最適化パスが量子回路の代表選択に与える影響について検討する。 FTQCの量子回路を自動設計・評価するツールはほとんど存在しないため,評価されたFTQCのリソース要求に対して,NISQ量子回路最適化を適用することにより得られる(潜在的)メリットを比較するために資源推定を利用する。 NISQ量子回路最適化技術を適用することにより,FTQCのリソース要件を推定できることを示す。 同時に、より詳細な調査では、FTQCにどのような技術がもたらすメリットが他と比較して示され、NISQ最適化手法をFTQC時代へ移行するためのガイドラインが提供された。

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