論文の概要: Hardware-Efficient Hamiltonian Simulation via Trotter-Initialized Variational Optimization with Native Placement
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2604.26663v1
- Date: Wed, 29 Apr 2026 13:26:54 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-04-30 15:59:36.418933
- Title: Hardware-Efficient Hamiltonian Simulation via Trotter-Initialized Variational Optimization with Native Placement
- Title（参考訳）: トロッタ初期化変分最適化によるハードウェア効率のよいハミルトンシミュレーション
- Authors: F. S. Luiz, P. N. Ferreira, M. C. de Oliveira,
- Abstract要約: 本稿では,製品形式分解を合成プリミティブとして扱う構造対応コンパイルフレームワークを提案する。
ハイゼンベルク、イジング、XYの各モデルに$n$--$8$ qubitsのモデルがあり、コンパイルされた回路は$F>0.996$となる。
IBM Torinoのハードウェアでは、より短い近似回路がより深い精度で分解される状態が観察される。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
- Abstract: Compiling time-evolution operators of the form $U(t)=e^{-iHt}$ into hardware-native gate sequences is a central bottleneck for digital quantum simulation on noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices. Generic transpilation treats $U(t)$ as an arbitrary unitary, discarding the structure of Hamiltonian dynamics and producing circuits whose depth exceeds hardware coherence limits. We introduce a structure-aware compilation framework that treats product-formula decompositions as synthesis primitives rather than simulation approximations. The method combines (i) native placement of Hamiltonian terms onto the hardware coupling map, (ii) adaptive selection of Trotter blocks via a greedy discretization procedure, and (iii) variational refinement using a Trotter-initialized ansatz. Across Heisenberg, Ising, and XY models with $n=3$--$8$ qubits, the compiled circuits achieve fidelities $F>0.996$ with approximately linear scaling in the number of entangling gates, while generic synthesis produces circuits that are orders of magnitude deeper. On IBM Torino hardware, we observe a regime in which shorter approximate circuits outperform deeper exact decompositions: a 27-CX circuit achieves higher hardware fidelity ($F_{\mathrm{hw}}=0.987$) than a 187-CX exact circuit. These results demonstrate that, in the NISQ regime, structure-aware approximate compilation can outperform exact structure-agnostic synthesis, providing a practical pathway for executing Hamiltonian dynamics without requiring pulse-level control.
- Abstract（参考訳）: ハードウェアネイティブゲートシーケンスに$U(t)=e^{-iHt}$という形で時間進化演算子をコンパイルすることは、ノイズの多い中間スケール量子(NISQ)デバイス上でのデジタル量子シミュレーションにおける中心的なボトルネックである。
ジェネリックトランスパイレーションは$U(t)$を任意のユニタリとして扱い、ハミルトン力学の構造を捨て、ハードウェアコヒーレンス限界を超える深さの回路を生成する。
本稿では,製品-形式分解をシミュレーション近似ではなく合成プリミティブとして扱う構造対応コンパイルフレームワークを提案する。
組み合わせる方法
(i)ハードウェア結合写像上のハミルトン項のネイティブ配置。
二 欲求離散化手順によるトロッターブロックの適応的選択、及び
三 トロッター初期化アンザッツを用いた変分精錬
ハイゼンベルク、イジング、XY の各モデルに$n=3$-8$ qubits のモデルがあり、コンパイルされた回路はエンタングゲートの数にほぼ線形なスケーリングを施したフィデリティを$F>0.996$で達成し、ジェネリック合成は桁違いに深い回路を生成する。
IBM Torinoのハードウェアでは、短い近似回路がより深い精度で分解され、27-CX回路は187-CXの正確な回路よりも高いハードウェア忠実度(F_{\mathrm{hw}}=0.987$)を達成する。
これらの結果から,NISQ系では構造認識近似コンパイルが正確な構造認識合成より優れており,パルスレベル制御を必要とせずにハミルトン力学を実行するための実用的な経路が得られた。
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