論文の概要: Compiling Quantum Regular Language States

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2602.02698v1
• Date: Mon, 02 Feb 2026 19:11:38 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-02-04 18:37:15.0238
• Title: Compiling Quantum Regular Language States
• Title（参考訳）: 量子正規言語状態のコンパイル
• Authors: Armando Bellante, Reinis Irmejs, Marta Florido-Llinàs, María Cea Fernández, Marianna Crupi, Matthew Kiser, J. Ignacio Cirac,
• Abstract要約: 正規言語状態のための量子状態準備コンパイラを開発した。 ユーザは、(i)ビットストリングの有限集合、(ii)正規表現、(iii)決定論的有限オートマトン(DFA)を介してターゲット状態を記述する。 効率的なDFA表現とオフロードにより、より単純なオートマチック操作と引き換えに高価な線形代数の最小化が実現される。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.08030359871216612
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: State preparation compilers for quantum computers typically sit at two extremes: general-purpose routines that treat the target as an opaque amplitude vector, and bespoke constructions for a handful of well-known state families. We ask whether a compiler can instead accept simple, structure-aware specifications while providing predictable resource guarantees. We answer this by designing and implementing a quantum state-preparation compiler for regular language states (RLS): uniform superpositions over bitstrings accepted by a regular description, and their complements. Users describe the target state via (i) a finite set of bitstrings, (ii) a regular expression, or (iii) a deterministic finite automaton (DFA), optionally with a complement flag. By translating the input to a DFA, minimizing it, and mapping it to an optimal matrix product state (MPS), the compiler obtains an intermediate representation (IR) that exposes and compresses hidden structure. The efficient DFA representation and minimization offloads expensive linear algebra computation in exchange of simpler automata manipulations. The combination of the regular-language frontend and this IR gives concise specifications not only for RLS but also for their complements that might otherwise require exponentially large state descriptions. This enables state preparation of an RLS or its complement with the same asymptotic resources and compile time. We outline two hardware-aware backends: SeqRLSP, which yields linear-depth, ancilla-free circuits for linear nearest-neighbor architectures via sequential generation, and TreeRLSP, which achieves logarithmic depth on all-to-all connectivity via a tree tensor network. We prove depth and gate-count bounds scaling with the system size and the state's maximal Schmidt rank, and we give explicit compile-time bounds that expose the benefit of our approach. We implement and evaluate the pipeline.
• Abstract（参考訳）: 量子コンピュータのための状態準備コンパイラは通常、ターゲットを不透明な振幅ベクトルとして扱う汎用ルーチンと、いくつかのよく知られた状態ファミリーのためのベーポーク構成の2つの極端に置かれる。 コンパイラは、予測可能なリソース保証を提供しながら、シンプルで構造を意識した仕様を受理できるかどうかを問う。 我々は、正規言語状態(RLS)のための量子状態準備コンパイラを設計し、実装することで、これに答える:正規記述で受け入れられるビットストリング上の一様重ね合わせとその補集合。 ユーザはターゲット状態を記述する。 (i)ビットストリングの有限集合 (ii)正規表現、または 三 決定論的有限オートマトン(DFA)で、任意に補フラグを付す。 入力をDFAに変換し、最小化して最適行列積状態(MPS)にマッピングすることで、コンパイラは隠れた構造を公開・圧縮する中間表現(IR)を得る。 効率的なDFA表現と最小化は、より単純なオートマチック操作と引き換えに高価な線形代数計算をオフロードする。 正規言語フロントエンドとこのIRの組み合わせは、RSSだけでなく、指数関数的に大きな状態記述を必要とするかもしれない補数に対しても簡潔な仕様を提供する。 これにより、RSSまたはその補体が同じ漸近的なリソースとコンパイル時間で状態準備できる。 線形深度を出力するSeqRLSPと、木テンソルネットワークを介して全接続の対数深度を実現するTreeRLSPの2つのハードウェア対応バックエンドを概説する。 我々は、システムサイズと州の最大Schmidtランクによる深さとゲート数境界のスケーリングを証明し、我々のアプローチの利点を露呈する明示的なコンパイル時境界を提示する。 私たちはパイプラインを実装して評価します。

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