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

要約

タイトル：正確で高速な量子コンピューティングのための変分命令セットを用いた量子コンパイル

要約：
– 量子回路を実現するためには、適切に定義された量子命令セット（QIS）を用いて量子回路をゲートの積にコンパイルすることが基本となる。
– 研究では、高速で正確な量子コンピューティングを可能にするための柔軟に設計された多キュービットゲートから構成される「量子変分命令セット（QuVIS）」を提案している。
– QuVISによる量子回路の実現には、細かく時間最適化されたアルゴリズムを用いて変分的にキュービットを制御することで行われる。
– 複数キュービットのスワップや量子フーリエ変換の実現において、標準的なQISである「量子マイクロ命令セット（QuMIS）」と比較して、QuVISによるエラー蓄積の低減と時間コストの削減が実証された。
– 同じ量子ハードウェア要件の下、QuVISによる時間コストはQuMISに比べて半分以下に削減される。同時に、コンパイルされた回路の深さが減少すると、エラーが代数的に抑制される。
– 高い柔軟性と効率を持つ一般的なコンパイル手法として、QuVISは異なる量子回路に対して定義することが可能であり、異なる相互作用を持つ量子ハードウェアに適応することができる。

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 a 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 \R{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 are variationally achieved using the fine-grained time optimization algorithm. Significant reductions on 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 the standard QIS such as \RR{the quantum microinstruction set} (QuMIS, formed by several one- and two-qubit gates including the one-qubit rotations and controlled-NOT gate). With the same requirement on quantum hardware, the time cost by \R{QuVIS} is reduced to be less than one half of that by 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, \R{QuVIS} can be defined for different quantum circuits and adapt to the quantum hardware with different interactions.

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