論文の概要: Efficiently simulable quantum circuits with large entanglement, magic, and non-Gaussianity via code-compiled tensor networks

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2607.08396v1
• Date: Thu, 09 Jul 2026 12:19:50 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-07-10 14:45:27.522692
• Title: Efficiently simulable quantum circuits with large entanglement, magic, and non-Gaussianity via code-compiled tensor networks
• Title（参考訳）: コードコンパイルテンソルネットワークによる大きな絡み合い、魔法、非ガウス性を有する効率的なシミュレート可能な量子回路
• Abstract要約: 古典的なシミュレーションの硬さの標準指標を持つ量子回路群を紹介する。 提案手法では,高速度Calderbank-Shor-Steane (CSS) 符号の論理回路を用いた。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.5701326192371183
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: We introduce a family of quantum circuits that possess standard indicators of classical simulation hardness including high entanglement entropy, magic, and non-Gaussianity, yet admit efficient classical simulation via matrix product states (MPS). Our construction uses logical circuits of high-rate Calderbank-Shor-Steane (CSS) codes with enhanced symmetries. Using code automorphisms and transversal diagonal gates from higher levels of the Clifford hierarchy, we realize nonlocal logical Clifford and non-Clifford gates, showing how error-correcting codes can compile complex logical circuits into simple physical operations. Simulation efficiency rests on two properties: (i) diagonal transversal gates do not increase bond dimension, and (ii) permutations are tracked classically via on-the-fly relabeling, avoiding costly SWAP networks. Unlike Clifford or matchgate simulation, our method accepts a broad class of initial states, including dense entangled, magic, and non-Gaussian inputs, provided the encoded state retains an efficient MPS representation. We also release an exact phase-polynomial backend for monomial subfamilies, whose cost is set by higher-degree phase terms rather than entanglement growth. We demonstrate the method on an infinite polar CSS code family, showing bond dimension stays bounded by the encoding cost regardless of circuit depth. These results show that for some circuit families, standard resource measures are individually insufficient to indicate simulation hardness. As a near-term application, we use the compiled MPS as a classical reference for direct fidelity estimation of a quantum device running nontrivial logical circuits. Pauli sampling on the encoded reference, with a Clifford pushback through the known encoder, provides the ideal expectation values, so the logical output fidelity can be estimated from local Pauli readout alone, without costly state tomography.
• Abstract（参考訳）: 量子回路は,高エンタングルメントエントロピー,マジック,非ガウス性を含む古典的シミュレーションハードネスの標準指標を持つが,行列積状態(MPS)を通した効率的な古典的シミュレーションは認めない。 提案手法では,高速度Calderbank-Shor-Steane (CSS) 符号の論理回路を用いた。 クリフォード階層の上位レベルからのコード自己同型と対角ゲートを用いて、非局所論理的クリフォードと非クリフォードゲートを実現し、エラー訂正符号が複雑な論理回路を単純な物理演算にどのようにコンパイルするかを示す。 シミュレーション効率は2つの特性に依存している。 一 対角横断ゲートが結合寸法を増さないこと、及び (II)順列は、コストのかかるSWAPネットワークを避けるために、オンザフライ・ラバーリングを介して古典的に追跡される。 クリフォードやマッチゲートシミュレーションとは異なり、エンコードされた状態が効率的なMPS表現を保持する場合、この手法は密絡、マジック、非ガウス入力を含む幅広い初期状態のクラスを受け入れる。 また,モノミアルサブファミリに対する正確な位相ポリノミアルバックエンドもリリースし,そのコストはエンタングメント成長ではなく,高次位相項によって設定されている。 本手法は有限極CSS符号群において,回路深さによらず符号化コストに拘束される結合寸法を示す。 これらの結果から,一部の回路系では,シミュレーションの硬さを示すのに標準資源対策は個々に不十分であることが示唆された。 短期的な応用として、コンパイルされたMPSを、非自明な論理回路を実行する量子デバイスの直接忠実度推定の古典的な基準として用いる。 パウリは符号化された参照をサンプリングし、クリフォードのプッシュバックを既知のエンコーダを通じて提供し、理想的な期待値を提供するので、論理出力の忠実度は、コストのかかる状態トモグラフィーを使わずに、ローカルなパウリ読み出しのみから推定できる。

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