論文の概要: The Efficiency Frontier: Classical Shadows versus Quantum Footage
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.06218v1
- Date: Sun, 07 Sep 2025 21:46:56 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-09-09 14:07:03.909482
- Title: The Efficiency Frontier: Classical Shadows versus Quantum Footage
- Title（参考訳）: 量子フロンティアの効率性:古典的シャドウと量子フットプリント
- Authors: Shuowei Ma, Junyu Liu,
- Abstract要約: インターフェース量子および古典プロセッサは、フルスタック量子アルゴリズムにおいて重要なサブルーチンである。
古典的影」と呼ばれる手法は、量子状態から重要な古典情報を効率的に抽出する。
しかし、少数の非局所観測可能量、あるいは古典的な後処理能力に制限がある場合、古典的なシャドウ法は必ずしも最も効率的な選択であるとは限らない。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 12.845988703864407
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Interfacing quantum and classical processors is an important subroutine in full-stack quantum algorithms. The so-called "classical shadow" method efficiently extracts essential classical information from quantum states, enabling the prediction of many properties of a quantum system from only a few measurements. However, for a small number of highly non-local observables, or when classical post-processing power is limited, the classical shadow method is not always the most efficient choice. Here, we address this issue quantitatively by performing a full-stack resource analysis that compares classical shadows with ``quantum footage," which refers to direct quantum measurement. Under certain assumptions, our analysis illustrates a boundary of download efficiency between classical shadows and quantum footage. For observables expressed as linear combinations of Pauli matrices, the classical shadow method outperforms direct measurement when the number of observables is large and the Pauli weight is small. For observables in the form of large Hermitian sparse matrices, the classical shadow method shows an advantage when the number of observables, the sparsity of the matrix, and the number of qubits fall within a certain range. The key parameters influencing this behavior include the number of qubits $n$, observables $M$, sparsity $k$, Pauli weight $w$, accuracy requirement $\epsilon$, and failure tolerance $\delta$. We also compare the resource consumption of the two methods on different types of quantum computers and identify break-even points where the classical shadow method becomes more efficient, which vary depending on the hardware. This paper opens a new avenue for quantitatively designing optimal strategies for hybrid quantum-classical tomography and provides practical insights for selecting the most suitable quantum measurement approach in real-world applications.
- Abstract（参考訳）: インターフェース量子および古典プロセッサは、フルスタック量子アルゴリズムにおいて重要なサブルーチンである。
古典的影」と呼ばれるこの手法は、量子状態から重要な古典的情報を効率的に抽出し、少数の測定値から量子系の多くの性質を予測できる。
しかし、少数の非局所観測可能量や古典的な後処理能力に制限がある場合、古典的なシャドウ法は必ずしも最も効率的な選択であるとは限らない。
ここでは、古典的な影と直接量子計測の「量子映像」を比較するフルスタックのリソース分析を行うことにより、この問題を定量的に解決する。
特定の仮定の下では、古典的な影と量子映像の間のダウンロード効率の境界が示される。
パウリ行列の線形結合として表される観測可能量に対して、古典的なシャドウ法は観測可能量が大きく、パウリ重みが小さい場合に直接測定よりも優れる。
大きなエルミートスパース行列の形で観測可能な場合、古典的なシャドウ法は可観測値の個数、行列の空間性、およびキュービットの個数が一定の範囲内にあるときに有利であることを示す。
この動作に影響を与える重要なパラメータは、qubits $n$、observables $M$、parsity $k$、Pauli weight $w$、精度要件$\epsilon$、耐障害性$\delta$である。
また、異なる種類の量子コンピュータ上での2つの手法のリソース消費を比較し、古典的シャドウ法がより効率的になるブレークフェア点をハードウェアによって異なるものに同定する。
本稿では,ハイブリッド量子古典トモグラフィのための最適戦略を定量的に設計するための新たな道を開き,実世界の応用において最適な量子計測手法を選択するための実践的な洞察を提供する。
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