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NISQ時代に鍵となる対角ユニタリ行列のさらなる簡略化を提案し、既存の対角ユニタリ行列の合成方法と比べて、ゲート数と回路の深さをほぼ半分に削減できることを示す論文をarXivに発表しました。

https://arxiv.org/pdf/2310.06676.pdf



この論文で、Quemixの黄欣馳、小杉太一、西紘史、松下雄一郎は、回路の深さとゲート数の最適化が重要な課題であるNISQ時代に向け、反転対称性を持つ特定の対角ユニタリ行列の実装に焦点を当てることで、既存の研究で提案された量子回路をさらに簡略化できることを証明し、また、エンタングルメントゲートの数を最適化するアルゴリズムも提案しています。これにより、既存の対角ユニタリ行列の合成方法と比べて、ゲート数と回路の深さをほぼ半分に削減できることが示されました。


概略:

NISQ時代では、特にCNOTゲートを含むエンタングルメントゲートの回路深度とゲート数を最適化することが重要な課題となります。対角ユニタリ行列は、多くの量子アルゴリズムおよびサブルーチンで不可欠な要素であり、自然なゲートセット{CNOT、Rz}を使用した一般的な対角ユニタリ行列の量子回路合成に関する既存の研究では、回路の深度を基準とした最適合成アルゴリズムが提案されています。

本論文では、反転対称性を持つ対角ユニタリ行列の特定のサブセットの実装に焦点を当て、これらの行列は量子回路を用いて相互作用する粒子のための一次元ハミルトニアンの実時間発展など、有望な応用が期待できます。この対称性を活用することで、既存の量子回路をさらに簡略化できることを示し、また、エンタングルメントゲートの数を最適化する構築的なアルゴリズムを提案しています。一般的な対角ユニタリ行列に関する以前の合成方法と比較して、今回提案したアルゴリズムにより、ゲート数と回路深度の両方で約50%の削減が実現されます。


この研究は、エンタングルメントゲートの最適化や、量子回路の簡略化によりNISQデバイスの効率向上に寄与できること、また、相互作用する粒子の一次元ハミルトニアンのリアルタイム進化を可能にする量子回路の効率的な設計を示し、量子コンピューティングの実用的な応用に貢献する大きな一歩となりました。

この技術により、量子コンピュータ上での実時間ダイナミクスのシミュレーションが加速されます。



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