피크 회로를 위한 희소 및 절단 상태 벡터 시뮬레이터

초록

첨두 회로(peaked circuits)로 알려진 양자 회로 클래스에서, 목표는 회로 출력에서 가장 확률이 높은 비트 문자열을 예측하는 것이다. 이 회로들은 출력 분포에 급격한 첨두를 갖도록 설계되었기 때문에, 원칙적으로 제한된 수의 항 또는 전체 확률 질량의 일부를 갖는 절단된 상태 벡터를 사용하여 시뮬레이션하는 것이 가능해야 한다. 이러한 근사 시뮬레이션은 대부분의 양자 시뮬레이터에서 흔히 사용되는 밀집 표현(dense representations)과 달리, 상태 벡터의 비영 진폭(nonzero amplitudes)만을 저장하는 희소 표현(sparse representation)을 사용하여 고전 컴퓨터에서 수행할 수 있다. 효율성을 위해, 상태 벡터에 대한 모든 연산은 가능한 한 최대한 벡터화되어야 하며, 사용 가능한 경우 하드웨어 가속을 활용할 수도 있다. 본 연구는 이러한 요구 사항이 오픈소스 구현에서 어떻게 충족되었는지 설명하고, 그 성능과 한계를 논의한다.

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.