論文の概要: Scalable Multi-QPU Circuit Design for Dicke State Preparation: Optimizing Communication Complexity and Local Circuit Costs

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2601.20393v1
• Date: Wed, 28 Jan 2026 09:00:38 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-01-29 15:46:06.858073
• Title: Scalable Multi-QPU Circuit Design for Dicke State Preparation: Optimizing Communication Complexity and Local Circuit Costs
• Title（参考訳）: ディック状態準備のためのスケーラブルマルチQPU回路設計:通信複雑度と局所回路コストの最適化
• Authors: Ziheng Chen, Junhong Nie, Xiaoming Sun, Jialin Zhang, Jiadong Zhu,
• Abstract要約: 単一の量子処理ユニット(QPU)で利用可能な量子ビットの数は限られている。 我々は、大量子ビットディック状態の分散準備を、一般数$p$のQPUに対して$D(n,k)$で検討する。 我々の知る限りでは、対数通信の複雑さと回路サイズと深さを同時に実現した最初の構築である。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 13.575071625377097
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Preparing large-qubit Dicke states is of broad interest in quantum computing and quantum metrology. However, the number of qubits available on a single quantum processing unit (QPU) is limited -- motivating the distributed preparation of such states across multiple QPUs as a practical approach to scalability. In this article, we investigate the distributed preparation of $n$-qubit $k$-excitation Dicke states $D(n,k)$ across a general number $p$ of QPUs, presenting a distributed quantum circuit (each QPU hosting approximately $\lceil n/p \rceil$ qubits) that prepares the state with communication complexity $O(p \log k)$, circuit size $O(nk)$, and circuit depth $O\left(p^2 k + \log k \log (n/k)\right)$. To the best of our knowledge, this is the first construction to simultaneously achieve logarithmic communication complexity and polynomial circuit size and depth. We also establish a lower bound on the communication complexity of $p$-QPU distributed state preparation for a general target state. This lower bound is formulated in terms of the canonical polyadic rank (CP-rank) of a tensor associated with the target state. For the special case $p = 2$, we explicitly compute the CP-rank corresponding to the Dicke state $D(n,k)$ and derive a lower bound of $\lceil\log (k + 1)\rceil$, which shows that the communication complexity of our construction matches this fundamental limit.
• Abstract（参考訳）: 大きな量子ビット状態を作るディック状態は、量子コンピューティングと量子計量学に広く関心がある。 しかし、単一の量子処理ユニット(QPU)で利用可能な量子ビットの数は限られており、スケーラビリティへの実践的なアプローチとして、複数のQPUにまたがる状態の分散準備を動機付けている。 本稿では,$n$-qubit $k$-excitation Dicke state $D(n,k)$ across a general number $p$ of QPUs, presented a distributed quantum circuit (each QPU hosting around $\lceil n/p \rceil$ qubits) which prepareds the state with communication complexity $O(p \log k)$, circuit size $O(nk)$, and circuit depth $O\left(p^2 k + \log k \log (n/k)\right。 我々の知る限り、これは対数通信の複雑さと多項式回路のサイズと深さを同時に達成する最初の構成である。 また、一般目標状態に対する$p$-QPU分散状態準備の通信複雑性を低く設定する。 この下界は、対象状態に関連するテンソルの正準多進ランク(CPランク)によって定式化される。 特別な場合 $p = 2$ に対して、Dicke 状態 $D(n,k)$ に対応する CP-ランクを明示的に計算し、下限の $\lceil\log (k + 1)\rceil$ を導出する。

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