Quantum computing is a promising technology that harnesses the peculiarities of quantum mechanics to deliver computational speedups for some problems that are intractable to solve on a classical computer. Current generation noisy intermediate-scale quantum (NISQ) computers are severely limited in terms of chip size and error rates. Shallow quantum circuits with uncomplicated topologies are essential for successful applications in the NISQ era. Based on matrix analysis, we show that Hamiltonian simulation of certain spin models known as free fermions can be performed in a quantum circuit with a depth that is independent of simulation time and that grows linearly in the number of spins. Our analysis shows how to efficiently and accurately compress these circuits with a numerical algorithm that scales cubically in the number of spins. Numerical experiments show that our circuit synthesis algorithm easily scales up to $O(10^3)$ spins. The resulting quantum circuits have a simple nearest-neighbor topology, which makes them ideally suited for NISQ devices.


翻译:量子计算是一种很有希望的技术,它利用量子力学的特殊性,为古典计算机难以解决的问题提供计算加速。目前一代吵闹的中间量衡(NISQ)计算机在芯片大小和误差率方面受到严重限制。浅量子电路与不复杂的地形对于在新谢克时代的成功应用至关重要。根据矩阵分析,我们显示,汉密尔顿模拟某些被称为自由发酵的旋转模型可以在量子电路中进行,其深度独立于模拟时间,并且线性地增长在旋转数量上增长。我们的分析显示,如何高效和准确地将这些电路压缩成一个数字算法,该算法在旋转数量上按立方比例进行。数字实验表明,我们的电路合成算法很容易将成本缩到$O(103美元)的脊柱。由此产生的量子电路有一个简单的近距离近邻地形图,因此适合新谢克装置。

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