論文の概要: Optimal and improved gate decompositions for accelerated classical simulation of near-Gaussian fermionic circuits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.18869v1
• Date: Thu, 19 Mar 2026 13:13:41 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-03-20 17:19:06.158721
• Title: Optimal and improved gate decompositions for accelerated classical simulation of near-Gaussian fermionic circuits
• Title（参考訳）: ガウス近傍フェルミオン回路の高速古典シミュレーションのための最適および改良されたゲート分解
• Authors: Beatriz Dias, Jan Lukas Bosse, James R. Seddon,
• Abstract要約: キー非ガウスゲートとチャネルの解析分解を導出する。 パウリノイズは非ガウス回転ゲートの有効範囲を減らすことができるが、フェミオン魔法は安定化器魔法よりもかなり頑丈である。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.13764085113103217
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Fermionic Gaussian circuits can be simulated efficiently on a classical computer, but become universal when supplemented with non-Gaussian operations. Similar to stabilizer circuits augmented with non-stabilizer resources, these non-Gaussian circuits can be simulated classically using rank- or extent-based methods. These methods decompose non-Gaussian states or operations into Gaussian ones, with runtimes that scale polynomially with measures of non-Gaussianity such as the rank and the extent -- quantities that typically grow exponentially with the number of non-Gaussian resources. Current fermionic rank- and extent-based simulators are limited to Gaussian circuits with magic-state injection. Extending them to mixed states and non-unitary channels has been hindered by the lack of known extent-optimized decompositions for physically relevant gates and noisy channels. In this work, we address this gap. First, we derive analytic decompositions for key non-Gaussian gates and channels, including decompositions for arbitrary two-qubit fermionic gates which are provably optimal for diagonal gates or those acting on Jordan-Wigner-adjacent qubit pairs. Second, we show that stochastic Pauli noise can reduce the effective extent of non-Gaussian rotation gates, but that fermionic magic is substantially more robust to such noise than stabilizer magic. Finally, we demonstrate how these decompositions can accelerate classical sampling from the output distribution of a quantum circuit. This involves a generalization of existing sparsification methods, previously limited to convex-unitary channels, to circuits involving intermediate measurements and feed-forward. Our decompositions also yield speedups for emulating noisy Pauli rotations with quasiprobability simulators in the large-angle/arbitrary-strength-noise and small-angle/low-noise parameter regimes.
• Abstract（参考訳）: フェルミオンガウス回路は古典的コンピュータ上で効率的にシミュレートできるが、非ガウス演算を補うと普遍となる。 非安定化器資源で強化された安定化器回路と同様に、これらの非ガウス回路は古典的に階数法や範囲法を用いてシミュレートすることができる。 これらの方法は、非ガウス状態または操作をガウス状態に分解し、階数や範囲のような非ガウス性の測定値と多項式的にスケールする実行時 -- 通常は非ガウス的資源の数とともに指数関数的に増加する量 -- を持つ。 現在のフェルミオンランクと範囲ベースのシミュレータは、マジックステートインジェクションを備えたガウス回路に限られている。 混合状態や非単体チャネルへの拡張は、物理的に関係のあるゲートやノイズチャネルに対する既知の範囲最適化分解の欠如によって妨げられている。 この作業では、このギャップに対処します。 まず、対角ゲートやヨルダン-ウィグナー-隣接キュービット対に作用するような任意の2ビットフェルミオンゲートの分解を含むキー非ガウスゲートとチャネルの解析分解を導出する。 第二に、確率的なパウリノイズは非ガウス回転ゲートの有効範囲を減らすことができるが、フェミオン魔法は安定魔法よりもかなり頑丈であることを示す。 最後に、これらの分解が量子回路の出力分布からの古典的なサンプリングをいかに加速するかを示す。 これは、それまで凸単位チャネルに限られていた既存のスペーシフィケーション手法を中間測定とフィードフォワードを含む回路に一般化することを含む。 また, 大角・小角・小角・小角パラメータ系における準確率シミュレータを用いて, ノイズの多いパウリ回転をエミュレートするための高速化も行った。

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