論文の概要: Hardware-Friendly Estimation of LCU-Based Expectation Values via Quantum-to-Classical Workload Shifting

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2610.32841v1
• Date: Fri, 23 Oct 2026 16:17:17 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-10-27 01:38:06.60344
• Title: Hardware-Friendly Estimation of LCU-Based Expectation Values via Quantum-to-Classical Workload Shifting
• Title（参考訳）: 量子-古典的ワークロードシフトによるLCUに基づく期待値のハードウェアフレンドリな推定
• Abstract要約: HERMESは$A$の処理を完全に古典的なドメインに移動します。 HERMESはノイズに対してより頑丈で、ベースラインでは不可能な、ノイズの多い$mathrmLiH$シミュレーションを完了します。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.3204178451683264
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Estimating the expectation value of an observable $O$ for a quantum state evolved under a general, possibly non-unitary, operator $A$ is a fundamental task in quantum simulation, chemistry, and variational algorithms. Existing linear-combination-of-unitaries (LCU) approaches implement $A$ on hardware, requiring ancilla qubits, controlled unitaries and, in randomized variants, fresh circuit executions for every Monte Carlo sample. These costs are prohibitive on NISQ and early fault-tolerant devices. We propose HERMES (Hardware-Efficient Reusable Measurements for Estimating LCU-based expectation valueS), which moves the processing of $A$ entirely to the classical domain. Expanding $A$ and $O$ in the Pauli basis and sampling pairs of Pauli terms classically, HERMES rewrites $μ= \mathrm{Tr}(OAρA^{\dagger})/\mathrm{Tr}(AρA^{\dagger})$ as a ratio of weighted sums of Pauli expectation values on the unmodified state $ρ$, with no ancillas, controlled unitaries, or quantum implementation of $A$. A two-level measurement reduction scheme (Pauli deduplication and commuting-group partitioning) bounds the number of distinct measurement settings independently of the sample count, unlike randomized LCU methods whose circuit executions grow linearly with it. On ground-state energy estimation of $\mathrm{H}_2$ and $\mathrm{LiH}$ via imaginary-time evolution, HERMES matches or beats Pauli single-ancilla LCU baseline using shallow circuits with no two-qubit gates beyond state preparation under qubit-wise commuting grouping. It is also more robust to noise and completes a noisy $\mathrm{LiH}$ simulation infeasible for the baseline, at the cost of classical overhead growing with the number of Pauli terms in $A$.
• Abstract（参考訳）: 量子状態に対する観測可能な$O$の期待値の推定は、一般の、おそらくは非単位の下で進化し、演算子$A$は量子シミュレーション、化学、変分アルゴリズムの基本的なタスクである。 既存のリニアコンビネーション・オブ・ユニタリ (LCU) アプローチはハードウェア上で$A$を実装し、アンシラ量子ビット、制御されたユニタリ、ランダム化された変種ではモンテカルロの全サンプルに対して新しい回路実行を必要とする。 これらのコストは、NISQおよび早期フォールトトレラントデバイスでは禁じられている。 本稿では,HERMES(Hardware-Efficient Reusable Measurements for Estimating LCU-based expectation valueS)を提案する。 パウリ基底で$A$と$O$を拡張し、古典的にはパウリ項のペアをサンプリングすると、HERMESは$μ= \mathrm{Tr}(OAρA^{\dagger})/\mathrm{Tr}(AρA^{\dagger})$を未修正状態の$ρ$の重み付き和の比率として書き直す。 2レベル測定削減スキーム(Pauli deduplication と commuting-group partitioning)は、回路実行が線形に増加するランダム化LCU法とは異なり、サンプル数とは独立に異なる測定設定の数を制限している。 HERMESは、仮想時間進化による$\mathrm{H}_2$および$\mathrm{LiH}$の基底状態エネルギー推定において、量子的に通勤するグループ化の下で、2ビットゲートを持たない浅い回路を用いて、パウリの単一アンシラLCUベースラインと一致または打ち勝つ。 また、ノイズに対してより堅牢で、ベースラインでは不可能な$\mathrm{LiH}$シミュレーションを完了し、古典的なオーバーヘッドのコストは、$A$のパウリ項の数とともに増大する。

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