量子回路のfermionic nonlinearityの定量化

• Item type: SIG Technical Reports(1)
• 公開日: 2022-03-17
• タイトル: 量子回路のfermionic nonlinearityの定量化
• タイトル / 言語: en
• タイトル: Quantifying Fermionic Nonlinearity of Quantum Circuits
• 言語: jpn
• 資源タイプ / 資源タイプ識別子: http://purl.org/coar/resource_type/c_18gh
• 資源タイプ: technical report
• 著者所属: 大阪大学大学院基礎工学研究科
• 著者所属: 大阪大学大学院基礎工学研究科
• 著者所属: 大阪大学大学院基礎工学研究科／大阪大学量子情報・量子生命研究センター／JSTさきがけ
• 著者所属: 大阪大学大学院基礎工学研究科／大阪大学量子情報・量子生命研究センター／JSTさきがけ
• 著者所属: 大阪大学大学院基礎工学研究科／大阪大学量子情報・量子生命研究センター／理研量子コンピュータ研究センター／富士通量子コンピューティング共同研究部門
• 著者所属(英): en
• 著者所属(英): Graduate School of Engineering Science, Osaka University
• 著者所属(英): en
• 著者所属(英): Graduate School of Engineering Science, Osaka University
• 著者所属(英): en
• 著者所属(英): Graduate School of Engineering Science, Osaka University / Center for Quantum Information and Quantum Biology, Osaka University / JST, PRESTO
• 著者所属(英): en
• 著者所属(英): Graduate School of Engineering Science, Osaka University / Center for Quantum Information and Quantum Biology, Osaka University / JST, PRESTO
• 著者所属(英): en
• 著者所属(英): Graduate School of Engineering Science, Osaka University / Center for Quantum Information and Quantum Biology, Osaka University / RIKEN Center for Quantum Computing (RQC) / Fujitsu Quantum Computing Joint Research Division at QIQB, Osaka University
• 著者名: 八角, 繁男; 田島, 由一朗; 御手洗, 光祐; 水上, 渉; 藤井, 啓祐
• 著者名(英): Shigeo, Hakkaku; Yuuichiro, Tashima; Kosuke, Mitarai; Wataru, Mizukami; Keisuke, Fujii
• 論文抄録 / 内容記述タイプ: Other
• 論文抄録 / 内容記述: 変分量子アルゴリズム (Variational Quantum Algorithm, VQA) は，Noisy Intermediate-Scale Quatnum (NISQ) デバイス上で量子優位性を実証するための最も有望なアプローチの一つとして提案されている．しかし，NISQ デバイスに内在する量子性を劣化させるノイズの下で，VQA が量子優位性を維持できるかどうかはこれまで不明だった．本研究では，フェルミオンのハミルトニアンをシミュレーションするために設計された量子回路の古典的なシミュレーション可能性を定量的に評価する fermionic nonlinearity という尺度を提案する．具体的には，サンプリングコストが fermionic nonlinearity によって特徴づけられる，fermionic linear optics の古典的シミュレーション可能性に基づいたモンテカルロ型古典アルゴリズムを構築する．このアルゴリズムと尺度の実例として，4 体フェルミオン相互作用によって生成される回転ゲートの位相緩和ノイズ下での fermionic nonlinearity の上限を計算する．さらに，位相緩和ノイズ下の水素鎖の unitary coupled cluster singles and doubles (UCCSD) 量子回路のサンプリングコストを見積もった．その結果，エラー率と原子間隔に依存して，fermionic nonlinearity が非常に小さくなる領域や 1 になる領域が存在し，故に，そのような領域での量子回路は古典的にシミュレーション可能であることがわかった．我々の方法と結果は，量子優位性実証の見込みのあるフェルミオン系の量子回路設計に役立つと考えられる．
• 論文抄録(英) / 内容記述タイプ: Other
• 論文抄録(英) / 内容記述: Variational quantum algorithms (VQA) have been proposed as one of the most promising approaches to demonstrate quantum advantage on noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices. However, it has been unclear whether VQAs can maintain quantum advantage under the intrinsic noise of the NISQ devices, which deteriorates the quantumness. Here we propose a measure, called fermionic nonlinearity, to quantify the classical simulatability of quantum circuits designed for simulating fermionic Hamiltonians. Specifically, we construct a Monte Carlo-type classical algorithm based on the classical simulatability of fermionic linear optics, whose sampling overhead is characterized by the fermionic nonlinearity. As a demonstration of these techniques, we calculate the upper bound of the fermionic nonlinearity of a rotation gate generated by four-body fermionic interaction under the dephasing noise. Moreover, we estimate the sampling costs of the unitary coupled cluster singles and doubles (UCCSD) quantum circuits for hydrogen chains subject to the dephasing noise. We find that, depending on the error probability and atomic spacing, there are regions where the fermionic nonlinearity becomes very small or unity, and hence the circuits are classically simulatable. We believe that our method and results help to design quantum circuits for fermionic systems with potential quantum advantages.
• 書誌レコードID / 収録物識別子タイプ: NCID
• 書誌レコードID / 収録物識別子: AA12894105
• 書誌情報: 量子ソフトウェア（QS）; 巻 2022-QS-5, 号 31, p. 1-10, 発行日 2022-03-17
• ISSN / 収録物識別子タイプ: ISSN
• ISSN / 収録物識別子: 2435-6492
• Notice: SIG Technical Reports are nonrefereed and hence may later appear in any journals, conferences, symposia, etc.
• 出版者 / 言語: ja
• 出版者: 情報処理学会