ピーク回路向けスパース・トランケート状態ベクトルシミュレータ

要旨

ピーク回路として知られる量子回路のクラスでは、回路出力における最も確率の高いビット列を予測することが目的となる。これらの回路は出力分布に鋭いピークを持つように設計されているため、原理的には、項数を限定したトランケート状態ベクトル、あるいは全確率質量の一部を用いてシミュレーションすることが可能であるはずである。この近似シミュレーションは、ほとんどの量子シミュレータで一般的な密表現とは対照的に、状態ベクトルの非ゼロ振幅のみを格納する疎表現を用いて古典コンピュータ上で実行可能である。効率性のため、状態ベクトルに対するすべての操作は可能な限りベクトル化されるべきであり、利用可能であればハードウェアアクセラレーションも使用できる。本研究では、これらの要件がオープンソース実装においてどのように満たされたかを述べ、その性能と限界について議論する。

English

In a class of quantum circuits known as peaked circuits, the goal is to predict the most probable bit string at the output of the circuit. Since these circuits are designed to have a sharp peak in their output distribution, in principle it should be possible to simulate them using a truncated state vector with a limited number of terms, or a fraction of the total probability mass. This approximate simulation can be carried out on a classical computer with a sparse representation that stores only the nonzero amplitudes of the state vector, in contrast to the dense representations that are common in most quantum simulators. For efficiency, all operations on the state vector should be vectorized to the furthest possible extent and, if available, hardware acceleration can also be used. This work describes how these requirements were met in an open-source implementation, and discusses its performance and limitations.