論文の概要: PauLIB: A High-Performance Library for Processing Pauli Strings

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.25974v1
• Date: Mon, 25 May 2026 15:48:14 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-05-26 19:50:20.449093
• Title: PauLIB: A High-Performance Library for Processing Pauli Strings
• Title（参考訳）: PauLIB: Pauli文字列を処理する高性能ライブラリ
• Authors: Florian Krötz,
• Abstract要約: PauLIBは、大きなパウリ和を処理するためのヘッダのみのC++20ライブラリである。 2ビットで各キュービットを符号化するビットパック二進シンプレクティック表現は、パウリの乗算をビットワイズXORと人口数に還元する。 分岐予測可能なSIMDバルク操作を可能にするためにハッシュマップを置き換えるソートされた配列レイアウト。 明示的なSIMDベクトル化のために連続したワード配列を公開する構造体配列(SoA)メモリレイアウト。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Processing large Pauli sums is a significant bottleneck in quantum chemistry, Pauli propagation, and Pauli-based compilation. Existing frameworks often suffer from Python interpreter overhead or utilize hash-map data structures that hinder SIMD vectorization and complicate multi-threaded merging. We present PauLIB, a header-only C++20 library designed to eliminate these bottlenecks through three key architectural choices. A bit-packed binary symplectic representation that encodes each qubit in two bits, reducing Pauli multiplication to a bitwise XOR and a population count; a sorted array layout that replaces hash maps to enable branch-predictable SIMD bulk operations; and a struct-of-arrays (SoA) memory layout that exposes contiguous word arrays for explicit SIMD vectorization. Benchmarks at 500 qubits show that single Pauli string multiplication runs at 25ns per operation-14 times faster than PauliEngine and 660 times faster than Qiskit-flat across all pair counts tested. Hamiltonian outer-product multiplication is approximately 10 times faster than PauliEngine and 45 times faster than Qiskit at all tested sizes. Greedy commutation grouping, the dominant preprocessing cost in variational algorithms, achieves up to 21,000 times speedup over PennyLane, driven by the compact bit-packed representation. The compact layout reduces the memory footprint of a one-million-term Hamiltonian at 500 qubits from 1,036MB (Qiskit) to 142MB, a 7.3 times reduction that directly enables larger problem sizes within a fixed memory budget. PauLIB is open source and provides C++ and Python interfaces.
• Abstract（参考訳）: 大規模なパウリ和を処理することは、量子化学、パウリ伝播、パウリベースのコンパイルにおいて重要なボトルネックとなる。 既存のフレームワークは、しばしばPythonインタプリタのオーバーヘッドに悩まされるか、SIMDベクタライゼーションを妨げ、マルチスレッドのマージを複雑にするハッシュマップデータ構造を使用する。 PauLIBはヘッダのみのC++20ライブラリで、3つの重要なアーキテクチャ選択を通じてボトルネックを取り除くように設計されています。 ビットパックされたバイナリシンプレクティック表現は、各キュービットを2ビットにエンコードし、パウリ乗算をビットワイズXORと人口数に減らし、ハッシュマップを置換して分岐予測可能なSIMDバルク演算を可能にするソート配列レイアウトと、明示的なSIMDベクトル化のために連続したワード配列を露呈するストラクチャ・オブ・アレイ(SoA)メモリレイアウトである。 500 qubits のベンチマークでは、1つの Pauli 文字列の乗算は操作当たり 25ns で、PauliEngine より 14 倍速く、テストされたすべてのペア数に対して Qiskit フラットより 660 倍高速である。 ハミルトニアン外積乗算はパウリエンジンの約10倍速く、全ての試験されたサイズでカイスキットの45倍速い。 変分アルゴリズムの主要な前処理コストであるGreedy commutation groupingは、PennyLane上で最大21,000倍のスピードアップを達成する。 コンパクトなレイアウトは500キュービットの100万のハミルトニアンのメモリフットプリントを1,036MB (Qiskit) から 142MB に削減する。 PauLIBはオープンソースで、C++とPythonのインターフェースを提供する。

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