論文の概要: Heuristic Quantum Advantage with Peaked Circuits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.25838v1
• Date: Wed, 29 Oct 2025 18:00:03 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-31 16:05:09.516431
• Title: Heuristic Quantum Advantage with Peaked Circuits
• Title（参考訳）: ピーク回路を用いたヒューリスティック量子アドバンテージ
• Authors: Hrant Gharibyan, Mohammed Zuhair Mullath, Nicholas E. Sherman, Vincent P. Su, Hayk Tepanyan, Yuxuan Zhang,
• Abstract要約: 我々はQuantinuumのSystem Model H2量子プロセッサ上でピーク回路(HQAP回路)を設計し、量子優位性を示す。 我々の最大の例は2000個の2量子ビットゲートとの完全接続であり、H2は2時間以内にターゲットのピークビットストリングを直接生成できる。 この研究は、検証可能な量子優位性への重要なマイルストーンであり、現在のユーティリティスケール量子ハードウェアに有用なベンチマークプロトコルを提供する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.0791360680079185
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: We design and demonstrate heuristic quantum advantage with peaked circuits (HQAP circuits) on Quantinuum's System Model H2 quantum processor. Through extensive experimentation with state-of-the-art classical simulation strategies, we identify a clear gap between classical and quantum runtimes. Our largest instance involves all-to-all connectivity with 2000 two-qubit gates, which H2 can produce the target peaked bitstring directly in under 2 hours. Our extrapolations from leading classical simulation techniques such as tensor networks with belief propagation and Pauli path simulators indicate the same instance would take years on exascale systems (Frontier, Summit), suggesting a potentially exponential separation. This work marks an important milestone toward verifiable quantum advantage, as well as providing a useful benchmarking protocol for current utility-scale quantum hardware. We sketch our protocol for designing these circuits and provide extensive numerical results leading to our extrapolation estimates. Separate from our constructed HQAP circuits, we prove hardness on a decision problem involving generic peaked circuits. When both the input and output bitstrings of a peaked circuit are unknown, determining whether the circuit is peaked constitutes a QCMA-complete problem, meaning the problem remains hard even for a quantum polynomial-time machine under commonly accepted complexity assumptions. Inspired by this observation, we propose an application of the peaked circuits as a potentially quantum-safe encryption scheme~\cite{chen2016report,kumar2020post,joseph2022transitioning,dam2023survey}. We make our peaked circuits publicly available and invite the community to try additional methods to solve these circuits to see if this gap persists even with novel classical techniques.
• Abstract（参考訳）: 我々はQuantinuumのSystem Model H2量子プロセッサ上で、ピーク回路(HQAP回路)を用いてヒューリスティックな量子優位性を設計し、実証する。 最先端の古典的シミュレーション戦略による広範な実験を通じて、古典的ランタイムと量子的ランタイムの明確なギャップを識別する。 我々の最大の例は2000個の2量子ビットゲートとの完全接続であり、H2は2時間以内にターゲットのピークビットストリングを直接生成できる。 テンソルネットワークやパウリパスシミュレータのような古典的シミュレーション手法の先駆者による外挿は、同じインスタンスがエクサスケールシステム(Frontier, Summit)で何年もかかることを示し、指数的分離の可能性を示している。 この研究は、検証可能な量子優位性への重要なマイルストーンであり、現在のユーティリティスケール量子ハードウェアに有用なベンチマークプロトコルを提供する。 我々はこれらの回路を設計するためのプロトコルをスケッチし、外挿推定に繋がる広範な数値結果を提供する。 構築したHQAP回路とは別個に、一般的なピーク回路を含む決定問題に難易度を証明した。 ピーク回路の入力ビットストリングと出力ビットストリングの両方が未知の場合、回路がピークであるかどうかがQCMA完全問題となる。 この観測に触発されて、ピーク回路を量子セーフな暗号スキーム~\cite{chen2016report,kumar2020post,joseph2022transitioning,dam2023survey}として適用することを提案する。 我々はピークの回路を一般公開し、コミュニティにこれらの回路を解くための新たな方法を試してみて、このギャップが新しい古典的手法でも持続するかどうかを確認します。

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