Quantum compiling with a variational instruction set for accurate and fast quantum computing

要約

量子命令セット (QIS) は、量子ハードウェアで量子ビットを制御することによって物理的に実現可能な量子ゲートとして定義されます。
量子回路を適切に定義された QIS のゲートの積にコンパイルすることは、量子コンピューティングの基本的なステップです。
ここでは、量子コンピューティングの高速化と高精度化のために、柔軟に設計されたマルチ量子ビットゲートによって形成される量子変分命令セット (QuVIS) を提案します。
QuVIS でゲートを実現するための量子ビットの制御は、きめ細かい時間最適化アルゴリズムを使用して可変的に実現されます。
複数の量子ビットのスワップと量子フーリエ変換を実現すると、量子マイクロ命令セット (QuMIS、複数の 1 量子ビットと 2 量子ビットで構成される) などの標準 QIS によるコンパイルと比較して、エラーの蓄積と時間コストの両方が大幅に削減されることが実証されています。
ゲートには 1 量子ビットの回転と制御された NOT ゲートが含まれます)。
量子ハードウェアに対する同じ要件により、QuVIS の時間コストは QuMIS の半分以下に削減されます。
同時に、コンパイルされた回路の深さが減少するにつれて、エラーは代数的に抑制されます。
高い柔軟性と効率性を備えた一般的なコンパイル アプローチとして、QuVIS はさまざまな量子回路に対して定義でき、さまざまな相互作用を持つ量子ハードウェアに適応させることができます。

要約(オリジナル)

The quantum instruction set (QIS) is defined as the quantum gates that are physically realizable by controlling the qubits in quantum hardware. Compiling quantum circuits into the product of the gates in a properly defined QIS is a fundamental step in quantum computing. We here propose the quantum variational instruction set (QuVIS) formed by flexibly designed multi-qubit gates for higher speed and accuracy of quantum computing. The controlling of qubits for realizing the gates in a QuVIS is variationally achieved using the fine-grained time optimization algorithm. Significant reductions in both the error accumulation and time cost are demonstrated in realizing the swaps of multiple qubits and quantum Fourier transformations, compared with the compiling by a standard QIS such as the quantum microinstruction set (QuMIS, formed by several one- and two-qubit gates including one-qubit rotations and controlled-NOT gates). With the same requirement on quantum hardware, the time cost for QuVIS is reduced to less than one half of that for QuMIS. Simultaneously, the error is suppressed algebraically as the depth of the compiled circuit is reduced. As a general compiling approach with high flexibility and efficiency, QuVIS can be defined for different quantum circuits and be adapted to the quantum hardware with different interactions.

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