KR20240001245A - Methods for efficient implementation of the unitary operators of Clifford's algebra as quantum circuits and their application to linear algebra and machine learning - Google Patents

Methods for efficient implementation of the unitary operators of Clifford's algebra as quantum circuits and their application to linear algebra and machine learning Download PDF

Info

Publication number
KR20240001245A
KR20240001245A KR1020237041082A KR20237041082A KR20240001245A KR 20240001245 A KR20240001245 A KR 20240001245A KR 1020237041082 A KR1020237041082 A KR 1020237041082A KR 20237041082 A KR20237041082 A KR 20237041082A KR 20240001245 A KR20240001245 A KR 20240001245A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
circuit
gate
qubits
quantum
sub
Prior art date
Application number
KR1020237041082A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
아누팜 프라카시
요르다니스 케레니디스
Original Assignee
큐씨 웨어 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US17/244,362 external-priority patent/US11816538B2/en
Priority claimed from US17/244,840 external-priority patent/US11922272B2/en
Application filed by 큐씨 웨어 코포레이션 filed Critical 큐씨 웨어 코포레이션
Publication of KR20240001245A publication Critical patent/KR20240001245A/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/20Models of quantum computing, e.g. quantum circuits or universal quantum computers
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/40Physical realisations or architectures of quantum processors or components for manipulating qubits, e.g. qubit coupling or qubit control
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/60Quantum algorithms, e.g. based on quantum optimisation, quantum Fourier or Hadamard transforms
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N20/00Machine learning
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Logic Circuits (AREA)

Abstract

본 개시내용은 클리포드 로더(Clifford loader)들을 위한 효율적인 양자 회로들을 구성하는 방법들 및 유사한 방식을 따르는 이 방법들의 변형예들에 관한 것이다.This disclosure relates to methods of constructing efficient quantum circuits for Clifford loaders and variations of these methods that follow a similar approach.

Description

클리포드 대수학의 유니터리 연산자의 양자 회로로서의 효율적인 구현을 위한 방법 및 선형 대수학과 기계 학습에 대한 적용Methods for efficient implementation of the unitary operators of Clifford's algebra as quantum circuits and their application to linear algebra and machine learning

본 개시내용은 양자 알고리즘 및 양자 선형 대수학의 분야 내에 있다. 특히, 본 개시내용은 클리포드 로더(Clifford loader)라고 하는 양자 회로들에 대한 로그(logarithmic) 깊이 구성을 제공한다. 본 개시내용은 또한 양자 기계 학습의 분야 내에 있다. 특히, 본 개시내용은 클리포드 로더 회로들의 양자 기계 학습에 대한 애플리케이션을 제공한다.This disclosure is within the field of quantum algorithms and quantum linear algebra. In particular, the present disclosure provides a logarithmic depth construction for quantum circuits called a Clifford loader. This disclosure also lies within the field of quantum machine learning. In particular, this disclosure provides applications for quantum machine learning of Clifford Loader circuits.

고전적(classical) 컴퓨터를 사용한 행렬식 샘플링은, 단일 d 차원 행렬의 행렬식을 계산하는 복잡성이 과 같이 변경되므로, 계산 비용이 많이 든다. 이론적으로, 단일 행렬식을 계산하기 위해 을 달성할 수 있는 복잡한 이론적 구성이 있지만, 이는 큰 상수 인자 오버헤드(overhead)로 인해 단지 매우 큰 d에 대해 표준 방법보다 성능이 뛰어날 뿐이다. 더욱이, 대부분의 고전적 행렬식 샘플링 알고리즘은 여러 행렬식을 계산해야 하며, 이는 더 높은 계산 요구로 이어진다.Determinant sampling using a classical computer reduces the complexity of calculating the determinant of a single d-dimensional matrix. Since it changes as follows, the calculation cost is high. Theoretically, to calculate a single determinant There are complex theoretical constructs that can achieve , but they only outperform standard methods for very large d due to the large constant factor overhead. Moreover, most classical determinant sampling algorithms require calculating multiple determinants, which leads to higher computational demands.

본 개시내용은 클리포드 로더(Clifford loader)라고 하는 양자 회로들에 대한 로그 깊이 구성을 제공한다. 이 회로들은 Clifford 대수학의 특정 유니테리(unitary) 연산들을 구현하고, 양자 선형 대수학 및 양자 기계 학습에 적용된다. 구성된 회로들은 큐비트들의 수, 양자 회로의 깊이, 및 회로 내 게이트들의 유형의 관점에서 최적화된다.This disclosure provides a logarithmic depth construction for quantum circuits called a Clifford loader. These circuits implement specific unitary operations of Clifford algebra and have applications in quantum linear algebra and quantum machine learning. The constructed circuits are optimized in terms of the number of qubits, the depth of the quantum circuit, and the type of gates within the circuit.

양자 기계 학습 및 선형 대수 알고리즘들은 선형 대수 작업들 위한 양자 절차들을 사용하기 위해 고전적 데이터를 양자 상태들로서 표현하는 능력에 의존할 수 있다. 본 개시내용은 클리포드 로더를 사용하여 k-벡터들에 의해서 스팬(span)된 서브공간들을 양자 상태들로서 효율적으로 나타내는 절차들을 제공한다. 본 개시내용의 실시형태는, 예를 들어, 행렬식 샘플링 및 위상학적 데이터 분석의 작업들을 위한 양자 기계 학습에 대해, 그리고, 예를 들어, 저차원 선형 시스템의 투영 및 솔루션을 위한 양자 선형 대수학에 대해 적용된다.Quantum machine learning and linear algebra algorithms can rely on the ability to represent classical data as quantum states to use quantum procedures for linear algebra tasks. This disclosure provides procedures for efficiently representing subspaces spanned by k-vectors as quantum states using Clifford Loader. Embodiments of the present disclosure relate to quantum machine learning, for example, for tasks of determinant sampling and topological data analysis, and to quantum linear algebra, for example, for projection and solution of low-dimensional linear systems. Applies.

일부 실시형태는 양자 컴퓨터에 의한 실행을 위한 양자 회로에 관한 것이며, 양자 컴퓨터는 적어도 N개의 큐비트(qn)를 포함한다. 양자 회로는 제1 서브회로(sub-circuit), 제2 서브회로 및 가젯(gadget) 회로를 포함한다. 제1 서브 회로는 N/2개의 큐비트(q1-qN/2)에 적용되는 양자 게이트들을 포함하고, 제1 서브 회로의 실행 이후에, 큐비트(q2)의 값은 큐비트들(q2-qN/2)의 패리티(parity)를 나타낸다. 제2 서브 회로는 제1 서브 회로와 동시에 실행되도록 배열되고, N/2개의 큐비트(q(N/2+1)-qN)에 적용되는 양자 게이트들을 포함한다. 가젯 회로는 제1 및 제2 서브회로 다음에 실행되도록 배열된다. 가젯 회로는 큐비트들(q1, q2, 및 q(N/2+1))에 적용되는 양자 게이트들을 포함하며, 여기서 가젯 회로의 양자 게이트들 중 하나는 BS(θ) 게이트이다. BS(θ) 게이트는 단일 매개변수화된 2-큐비트 양자 게이트이다. 큐비트(q2)의 값이 0이면, 가젯 회로는 BS(θ) 게이트를 큐비트들(q1 및 q(N/2+1))에 적용한다. 큐비트(q2)의 값이 1이면, 가젯 회로는 대신 BS(θ) 게이트의 공액(conjugate)을 큐비트들(q1 및 q(N/2+1))에 적용한다.Some embodiments relate to quantum circuits for execution by a quantum computer, where the quantum computer includes at least N qubits (q n ). The quantum circuit includes a first sub-circuit, a second sub-circuit, and a gadget circuit. The first sub-circuit includes quantum gates applied to N/2 qubits (q 1 -q N/2 ), and after execution of the first sub-circuit, the value of the qubit (q 2 ) is It represents the parity of (q 2 -q N/2 ). The second sub-circuit is arranged to run concurrently with the first sub-circuit and includes quantum gates applied to N/2 qubits (q (N/2+1) -q N ). The gadget circuit is arranged to run after the first and second subcircuits. The gadget circuit includes quantum gates applied to the qubits q 1 , q 2 , and q (N/2+1) , where one of the quantum gates of the gadget circuit is the BS(θ) gate. The BS(θ) gate is a single parameterized two-qubit quantum gate. If the value of qubit (q 2 ) is 0, the gadget circuit applies the BS(θ) gate to qubits (q 1 and q (N/2+1) ) . If the value of qubit (q 2 ) is 1, the gadget circuit instead applies the conjugate of the BS(θ) gate to qubits (q 1 and q (N/2+1) ).

일부 실시형태에서, 제1 서브 회로는 제3 서브 회로, 제4 서브 회로, 및 제2 가젯 회로를 포함한다. 제3 서브 회로는 N/4개의 큐비트(q1-qN/4)에 적용되는 양자 게이트들을 포함하며, 여기서 제3 서브 회로의 실행 이후에, 큐비트(q2)의 값은 큐비트들(q2-qN/4)의 패리티를 나타낸다. 제4 서브 회로는 제3 서브 회로와 동시에 실행되도록 배열되고, N/4개의 큐비트(q(N/4+1)-qN/2)에 적용되는 양자 게이트들을 포함한다. 제2 가젯 회로는 제3 서브회로와 제4 서브회로 뒤에 있다. 제2 가젯 회로는 큐비트들(q1, q2, 및 q(N/4+1))에 적용되는 양자 게이트들을 포함하며, 여기서 제2 가젯 회로의 양자 게이트들 중 하나는 제2 BS(θ) 게이트이다. 큐비트(q2)의 값이 0이면, 제2 BS(θ) 게이트가 큐비트들(q1 및 q(N/4+1))에 적용되고, 큐비트(q2)의 값이 1이면, 제2 BS(θ) 게이트의 공액이 큐비트들(q1 및 q(N/4+1))에 적용된다.In some embodiments, the first sub-circuit includes a third sub-circuit, a fourth sub-circuit, and a second gadget circuit. The third sub-circuit includes quantum gates applied to N/4 qubits (q 1 -q N/4 ), where after execution of the third sub-circuit, the value of the qubit (q 2 ) is qubit It represents the parity of (q 2 -q N/4 ). The fourth sub-circuit is arranged to run concurrently with the third sub-circuit and includes quantum gates applied to N/4 qubits (q (N/4+1) -q N/2 ). The second gadget circuit is behind the third and fourth subcircuits. The second gadget circuit includes quantum gates applied to the qubits (q 1 , q 2 , and q (N/4+1) ), where one of the quantum gates of the second gadget circuit is connected to the second BS ( θ) is the gate. If the value of qubit (q 2 ) is 0, the second BS(θ) gate is applied to qubits (q 1 and q (N/4+1) ), and if the value of qubit (q 2 ) is 1 , then the conjugate of the second BS(θ) gate is applied to the qubits q 1 and q (N/4+1) .

일부 실시형태에서, 양자 회로는 가젯 회로 이후에 큐비트(q1)에 적용되는 X 게이트를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 양자 회로는 X 게이트 이후에 제2 가젯 회로를 더 포함한다. 제2 가젯 회로는 큐비트들(q1, q2, 및 q(N/2+1))에 적용되는 양자 게이트들을 포함하며, 여기서 제2 가젯 회로의 양자 게이트들 중 하나는 제2 BS(θ) 게이트이다. 큐비트(q2)의 값이 0이면, BS(θ) 게이트의 공액이 큐비트들(q1 및 q(N/2+1))에 적용되고, 큐비트(q2)의 값이 1이면, BS(θ) 게이트가 큐비트들(q1 및 q(N/2+1))에 적용된다. 일부 실시형태에서, 양자 회로는 제2 가젯 회로 이후에 제3 서브 회로를 더 포함한다. 제3 서브 회로는 N/2개의 큐비트(q1-qN/2)에 적용되는 양자 게이트들을 포함하며, 여기서 제3 서브 회로의 양자 게이트들은, 제3 서브 회로의 양자 게이트들이 역순으로 배열되고 BS(θ) 게이트가 공액화된다는 것을 제외하고 제1 서브 회로의 양자 게이트들과 일치한다. 일부 실시형태에서, 양자 회로는 제3 서브 회로와 동시에 실행되도록 배열된 제4 서브 회로를 더 포함한다. 제4 서브 회로는 N/2개의 큐비트(q(N/2+1)-qN)에 적용되는 양자 게이트들을 포함하며, 여기서 제4 서브 회로의 양자 게이트들은, 제4 서브 회로의 양자 게이트들이 역순으로 배열되고 BS(θ) 게이트들이 공액화된다는 것을 제외하고 제2 서브 회로의 양자 게이트들과 일치한다.In some embodiments, the quantum circuit further includes an X gate applied to qubit (q1) after the gadget circuit. In some embodiments, the quantum circuit further includes a second gadget circuit after the X gate. The second gadget circuit includes quantum gates applied to the qubits (q 1 , q 2 , and q (N/2+1) ), where one of the quantum gates of the second gadget circuit is connected to the second BS ( θ) is the gate. If the value of qubit (q 2 ) is 0, then the conjugate of the BS(θ) gate is applied to qubits (q 1 and q (N/2+1) ), and if the value of qubit (q 2 ) is 1 , then the BS(θ) gate is applied to the qubits q 1 and q (N/2+1) . In some embodiments, the quantum circuit further includes a third sub-circuit after the second gadget circuit. The third sub-circuit includes quantum gates applied to N/2 qubits (q 1 -q N/2 ), where the quantum gates of the third sub-circuit are arranged in reverse order. and is identical to the quantum gates of the first subcircuit except that the BS(θ) gate is conjugated. In some embodiments, the quantum circuit further includes a fourth sub-circuit arranged to execute concurrently with the third sub-circuit. The fourth sub-circuit includes quantum gates applied to N/2 qubits (q (N/2+1) -q N ), where the quantum gates of the fourth sub-circuit are: is identical to the quantum gates of the second subcircuit except that they are arranged in reverse order and the BS(θ) gates are conjugated.

일부 실시형태에서, 양자 회로는, 큐비트들(q1 및 q2)에 제2 BS(θ) 게이트를 적용하고 큐비트들(q3 및 q4)에 제3 BS(θ) 게이트를 적용하는 제1 레이어(layer); 큐비트들(q1 및 q2)에 제1 CZ 게이트를 적용하는 제2 레이어 - CZ 게이트는 제어된 Z 게이트임 -; 큐비트들(q1 및 q3)에 제4 BS(θ) 게이트를 적용하는 제3 레이어; 큐비트들(q1 및 q2)에 제2 CZ 게이트를 적용하고 큐비트들(q3 및 q4)에 제1 CX 게이트를 적용하는 제4 레이어 - CX 게이트는 제어된 X 게이트임 -; 및 큐비트들(q2 및 q3)에 제2 CX 게이트를 적용하는 제5 레이어를 포함한다.In some embodiments, the quantum circuit applies a second BS(θ) gate to qubits q 1 and q 2 and a third BS(θ) gate to qubits q 3 and q 4 A first layer that does; a second layer applying a first CZ gate to the qubits (q 1 and q 2 ), where the CZ gate is a controlled Z gate; a third layer applying a fourth BS(θ) gate to the qubits (q 1 and q 3 ); a fourth layer applying a second CZ gate to qubits (q 1 and q 2 ) and a first CX gate to qubits (q 3 and q 4 ), where the CX gate is a controlled and a fifth layer that applies a second CX gate to the qubits (q 2 and q 3 ).

일부 실시형태에서, 가젯 서브 회로는, 큐비트들(q1 및 q2)에 제1 CZ 게이트를 적용하는 제1 레이어 - CZ 게이트는 제어된 Z 게이트임 -; 큐비트들(q1 및 q(N/2+1))에 BS(θ) 게이트를 적용하는 제2 레이어; 및 큐비트들(q1 및 q2)에 제2 CZ 게이트를 적용하는 제3 레이어를 포함한다.In some embodiments, the gadget subcircuit includes: a first layer applying a first CZ gate to qubits (q 1 and q 2 ), where the CZ gate is a controlled Z gate; a second layer applying a BS(θ) gate to the qubits (q 1 and q (N/2+1) ) ; and a third layer that applies a second CZ gate to the qubits (q 1 and q 2 ).

일부 실시형태는 양자 컴퓨터에 의한 실행을 위한 양자 회로에 관한 것이다. 다음 회로가 중첩된 서브회로들을 포함한다는 것에 주의한다. 양자 회로는 N개의 큐비트(qn) - 여기서 N=2K 및 K≥2 인 경우 -; 및 K개의 재귀적 회로(recursive circuit) 레벨을 포함하고, k=1 내지 K이다. 각각의 회로 레벨 k는 (N/2k)개의 레벨-k 회로를 포함하고, 각각의 레벨-k 회로는 큐비트들(qn) 중 2k개에 적용되는 하나 이상의 양자 게이트를 포함한다. 각각의 레벨-k 회로에 대한 2k개의 큐비트는 해당 레벨-k 회로에 대한 제1 큐비트와 제2 큐비트를 포함한다. 각각의 레벨-1 회로는 큐비트들(qn) 중 두 개에 적용되는 BS 게이트를 포함하고, 두 개의 큐비트 중 하나는 레벨-1 회로의 제1 큐비트이고 두 개 큐비트 중 다른 하나는 레벨-1 회로의 제2 큐비트이다. k≥2의 경우 각각의 레벨-k 회로는 상기 레벨-(k-1) 회로들 중 하나를 제1 서브 회로로서, 레벨-(k-1) 회로들 중 다른 하나를 제2 서브 회로로서 포함하고, BS 게이트를 포함하는 가젯 회로를 포함한다. 제1 서브 회로의 제2 큐비트의 값이 0이면, 가젯 회로는 BS 게이트를 제1 서브 회로의 제1 큐비트 및 제2 서브 회로의 제1 큐비트에 적용한다. 제1 서브 회로의 제2 큐비트의 값이 1이면, 가젯 회로는 BS 게이트의 공액을 제1 서브 회로의 제1 큐비트 및 제2 서브 회로의 제1 큐비트에 적용한다.Some embodiments relate to quantum circuits for execution by quantum computers. Note that the following circuit contains nested subcircuits. A quantum circuit has N qubits (q n ), where N=2 K and K≥2; and K recursive circuit levels, where k=1 to K. Each circuit level k includes (N/2 k ) level-k circuits, and each level-k circuit includes one or more quantum gates applied to 2 k of the qubits (q n ). The 2 k qubits for each level-k circuit include the first qubit and the second qubit for that level-k circuit. Each level-1 circuit includes a BS gate applied to two of the qubits (q n ), where one of the two qubits is the first qubit of the level-1 circuit and the other of the two qubits is This is the second qubit of the level-1 circuit. For k≥2, each level-k circuit includes one of the level-(k-1) circuits as a first sub-circuit and another one of the level-(k-1) circuits as a second sub-circuit. and a gadget circuit including a BS gate. If the value of the second qubit of the first subcircuit is 0, the gadget circuit applies the BS gate to the first qubit of the first subcircuit and the first qubit of the second subcircuit. If the value of the second qubit of the first subcircuit is 1, the gadget circuit applies the conjugate of the BS gate to the first qubit of the first subcircuit and the first qubit of the second subcircuit.

일부 실시형태는 양자 컴퓨터에 의한 실행을 위한 양자 회로에 관한 것이며, 양자 컴퓨터는 적어도 N개의 큐비트(qn)를 포함한다. 회로는 한 세트의 N-1개의 레이어 및 추가적인 레이어를 포함한다. 한 세트의 N-1개의 레이어는 N-1개의 BS 게이트를 N개의 큐비트(qn)에 순차적으로 적용한다. 각각의 BS(θ) 게이트는 단일 매개변수화된 2-큐비트 게이트이다. 각각의 레이어는 BS 게이트를 두 개의 큐비트에 적용하고 각각의 후속 레이어는 해당 레이어의 두 개의 큐비트 중 하나와 새로운 큐비트에 BS 게이트를 적용한다. 추가적인 레이어는 한 세트의 N-1개의 레이어 이후이고, 큐비트들 중 하나에 X 게이트를 적용한다.Some embodiments relate to quantum circuits for execution by a quantum computer, where the quantum computer includes at least N qubits (q n ). The circuit includes a set of N-1 layers and additional layers. A set of N-1 layers sequentially applies N-1 BS gates to N qubits (q n ). Each BS(θ) gate is a single parameterized two-qubit gate. Each layer applies a BS gate to two qubits, and each subsequent layer applies a BS gate to one of the two qubits in that layer and a new qubit. An additional layer follows a set of N-1 layers and applies an X gate to one of the qubits.

일부 실시형태에서, 각각의 후속 레이어의 새로운 큐비트는 이전 레이어들이 BS 게이트를 적용하지 않은 큐비트이다.In some embodiments, the new qubit in each subsequent layer is a qubit to which previous layers did not apply a BS gate.

X 게이트는 N-1번째 레이어의 새로운 큐비트에 적용된다.The X gate is applied to a new qubit in the N-1th layer.

일부 실시형태에서, 양자 회로는 추가적인 레이어 후에 제2 세트의 N-1개의 레이어를 더 포함한다. 제2 세트의 N-1개의 레이어는 N-1개의 BS 게이트를 N개의 큐비트에 적용하고, 각각의 레이어는 BS 게이트를 두 개의 큐비트에 적용하고 각각의 후속 레이어는 해당 레이어의 두 개의 큐비트 중 하나와 새로운 큐비트에 BS 게이트를 적용한다. 일부 실시형태에서, 제2 세트의 N-1개의 레이어의 BS 게이트들은 한 세트의 N-1개의 레이어의 BS 게이트들에 대응하는 공액 게이트들이다.In some embodiments, the quantum circuit further includes a second set of N-1 layers after the additional layer. A second set of N-1 layers applies N-1 BS gates to N qubits, each layer applies a BS gate to two qubits, and each subsequent layer applies N-1 BS gates to N qubits, and each subsequent layer applies N-1 BS gates to N qubits. Apply a BS gate to one of the bits and a new qubit. In some embodiments, the second set of N-1 layer BS gates are conjugate gates corresponding to one set of N-1 layer BS gates.

다른 양태는 구성 요소, 장치, 시스템, 개선 사항, 방법, 프로세스, 애플리케이션, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체, 및 위 항목과 관련된 기타 기술을 포함한다.Other aspects include components, devices, systems, improvements, methods, processes, applications, computer-readable storage media, and other technologies related to the above.

클리포드 로더로 지정되는 본 개시내용의 실시형태는, 첨부된 예시 도면과 함께 이해될 때, 다음의 상세한 설명과 청구범위로부터 더 쉽게 명백해질 다른 장점과 특징을 갖는다.
클리포드 로더는 N 차원의 단일 벡터에 의해서 매개변수화되어, 유클리드 노름(Euclidean norm)이 1인 각각의 벡터 x = (x 1 , x 2 ,…,x N )에 대해, 로서 지정되는 대응하는 클리포드 로더가 있다. 도 1은, 제1 실시형태에 따른, 단일 매개변수화된 2-큐비트 게이트("BS"라고 함)와 2-큐비트 제어된 X 및 제어된 Z 게이트를 사용하여, 차원 8의 주어진 벡터에 대한 클리포드 로더를 구현하기 위해서 사용되는 양자 회로를 도시하는 다이어그램이다.
도 2은, 제2 실시형태에 따른, 차원 8의 주어진 벡터에 대한 클리포드 로더를 구현하기 위한 양자 회로를 도시하는 다이어그램이다.
도 3a 및 도 3b는, 제1 실시형태에 따른, 단일 매개변수화된 2-큐비트 게이트("BS"라고 함)와 2-큐비트 제어된 X 및 제어된 Z 게이트를 사용하여, 차원 16의 주어진 벡터에 대한 클리포드 로더를 구현하기 위해서 사용되는 양자 회로를 도시하는 다이어그램이다.
도면은 단지 예시의 목적을 위해 다양한 실시형태를 묘사한다. 당업자는 본원에 예시된 구조 및 방법의 대안적인 실시형태가 본원에 설명된 원리로부터 벗어나지 않으면서 채용될 수 있다는 것을 다음의 논의로부터 쉽게 인식할 것이다. 예를 들어, BS 게이트의 세부 사항을 변경함으로써, 또는 제어되는 Z 게이트들을 사용하여 패리티 계산들을 위한 다양한/덜 최적화된 방법을 사용함으로써 그러할 것이다.
Embodiments of the present disclosure, designated Clifford Lauder, have other advantages and features that will become more readily apparent from the following detailed description and claims, when understood in conjunction with the accompanying illustrative drawings.
The Clifford Loader is parameterized by a single vector in N dimensions, so that for each vector x = (x 1 , x 2 ,…,x N ) with Euclidean norm 1, There is a corresponding Clifford loader specified as . 1 shows, according to a first embodiment, a single parameterized two-qubit gate (referred to as “BS”) and a two-qubit controlled This is a diagram showing the quantum circuit used to implement the Clifford loader.
Figure 2 is a diagram showing a quantum circuit for implementing a Clifford loader for a given vector of dimension 8, according to a second embodiment.
Figures 3A and 3B show a 16-dimensional This is a diagram showing the quantum circuit used to implement the Clifford loader for a given vector.
The drawings depict various embodiments for illustrative purposes only. Those skilled in the art will readily recognize from the following discussion that alternative embodiments of the structures and methods illustrated herein may be employed without departing from the principles described herein. This might be done, for example, by changing the details of the BS gate, or by using a different/less optimized method for parity calculations using controlled Z gates.

도면 및 다음 설명은 단지 예시로서 바람직한 실시형태에 관한 것이다. 다음의 논의로부터, 본원에 개시된 구조 및 방법의 대안적인 실시형태가, 개시된 원리로부터 벗어나지 않으면서 채용될 수 있는 실행 가능한 대안예로서 용이하게 인식될 것이라는 점이 주의되어야 한다.The drawings and the following description relate to preferred embodiments by way of example only. It should be noted that from the following discussion, alternative embodiments of the structures and methods disclosed herein will be readily recognized as viable alternatives that may be employed without departing from the principles disclosed.

파트 1: 클리포드 로더Part 1: Clifford Lauder

고전적 벡터는 N차원 좌표 (x 1 , x 2 ,…, x N )로 표현되며, 여기서 xi는 실수이고 벡터의 유클리드 노름(Euclidean norm)은 1이다. 이러한 특정 양태의 표현의 명확성을 위해, N이 2의 거듭제곱이라고 가정하지만, 본 방법은 일반적인 경우까지 확장될 수 있다.Classical vectors are expressed as N-dimensional coordinates (x 1 , x 2 ,…, x N ) , where x i is a real number and the Euclidean norm of the vector is 1. For clarity of presentation of this particular aspect, we assume that N is a power of 2, but the method can be extended to the general case.

고전적 벡터 x = (x 1 , x 2 ,…, x N )에 대해, Clifford 대수학의 특정 유니터리 연산자를 설명하고, 클리포드 로더는 이 유니테리 연산자의 구현예에 해당한다.For the classical vector x = ( x 1 ,

파울리(Pauli) 행렬 X 및 Z는 단일 큐비트 비트 플립 연산자 및 위상 플립 연산자에 해당하고, 이들은 차원 2의 안티-커뮤팅(anti-commuting) 행렬들이다. 이며, 여기서 스트링은 N개의 파울리 연산자의 텐서 곱을 나타내고, X 연산자는 위치 i에 있다. 벡터 x에 대한 클리포드 로더에 의해서 구현된 유니터리 연산자는 N개의 큐비트 상에 작용하고, 다음과 같이 제공된다:The Pauli matrices X and Z correspond to the single qubit bit flip operator and phase flip operator, and they are anti-commuting matrices of dimension 2. , where the string represents the tensor product of N Pauli operators, and the X operator is at position i. The unitary operator implemented by Clifford Loader on vector x operates on N qubits and is given by:

(1) (One)

연산자 는 항등식(identity)과 일치(square to)하므로 유클리드 노름 1을 갖는 모든 벡터들 x에 대해 유니터리이다. 이는 에 대한 클리포드 대수학의 생성원들 의 선형 조합이므로 클리포드 대수학에 속한다. 행렬로서 은 차원들 을 가지므로, 이것이 2-큐비트 게이트들의 다항식(입력 크기 N) 수를 사용하여 양자 회로로서 구현될 수 있다고 기대할 수 있는 선험적 이유는 없다. 본 개시내용은 이 회로들에 대한 이러한 구현예를 제공하며, 더욱이 본 발명의 구현예에 대한 회로 깊이는 N의 로그(logarithmic)이며 이 회로들을 매우 효율적이게 한다.Operator is square to the identity and therefore is unitary for all vectors x with Euclidean norm 1. this is Generators of Clifford's algebra for Since it is a linear combination of , it belongs to Clifford algebra. as a procession silver dimensions There is no a priori reason to expect that this can be implemented as a quantum circuit using a polynomial (input size N) number of 2-qubit gates. This disclosure provides such an implementation for these circuits, and furthermore, the circuit depth for an implementation of the invention is logarithmic of N, making these circuits very efficient.

BS(θ)라고 불리고 표준 기저(standard basis)에서 다음 설명을 갖는 한 유형의 매개변수화된 2-큐비트 게이트가 사용될 것이다.A type of parameterized two-qubit gate will be used, called BS( θ ) and with the following description on a standard basis:

(2) (2)

위 행렬의 행들과 열들을 순열(permuting)함으로써, 또는 마지막 1 대신 위상 요소 e^{i*p}를 도입함으로써, 또는 두 개의 요소 sin(θ)과 -sin(θ)을, 예를 들어, i*sin(θ)과i*sin(θ)으로 변경함으로써 도출된 다른 유사한 게이트가 사용될 수 있다는 것에 주의한다. 이 모든 게이트들은 실질적으로 동일하고, 본 발명의 방법은 이들 중 어느 하나를 사용할 수 있다. BS 게이트의 공액은 각도를 반대로 함으로써 획득되며, 즉 이다.By permuting the rows and columns of the above matrix, or by introducing a phase element e^{i*p} instead of the last 1, or by adding two elements sin( θ ) and -sin( θ ), for example, Note that other similar gates derived by changing i*sin( θ ) and i*sin( θ ) can be used. All of these gates are substantially the same, and the method of the present invention can use any one of them. The conjugate of the BS gate is obtained by reversing the angle, i.e. am.

또한 표준 기저에서 다음 설명을 갖는 제어된 Z 게이트 및 제어된 X 게이트가 사용된다.Also in the standard basis controlled Z gates and controlled X gates are used, with the following descriptions:

(3) (3)

여기서 제2 큐비트가 두 개의 게이트 모두에 대한 제어 큐비트로서 사용되고 있다. CX 게이트의 적용은 패리티 계산으로 볼 수 있다는 것이 주의된다. 예를 들어, . 패리티는 두 개의 숫자(예컨대, x 1x 2)의 합이 홀수인지 짝수인지를 나타낸다.Here the second qubit is being used as the control qubit for both gates. It is noted that the application of CX gates can be viewed as a parity calculation. for example, . Parity indicates whether the sum of two numbers (e.g., x 1 and x 2 ) is odd or even.

위에서 주어진 4차원 행렬들에 대한 직접 계산을 통해 검증될 수 있는 두 개의 행렬 항등식이 소개된다. 이 항등식들은 스트링들 XI 및 ZZ를 게이트 과 공액화(conjugate)하는 효과를 설명하고, 나중에 본 발명의 구성들의 정확성을 확립하는 데 사용된다.Two matrix identities are introduced that can be verified through direct calculations on the four-dimensional matrices given above. These identities gate strings XI and ZZ. It is used to illustrate the effect of conjugation with and later to establish the accuracy of the compositions of the present invention.

(4) (4)

(5) (5)

클리포드 로더 회로의 구성을 위해서, 다음과 같은 3개의 큐비트(오름차순으로, 예를 들어, 편의상 1, 2 및 3) 상에서 작동하는 가젯(gaget)(회로 복잡도 이론에서 특정 기능을 수행하는 서브회로에 대해 사용되는 용어)이 필요하다: 큐비트 2가 0이면(예컨대, 표준 기저에서), 이것은 연산 을 큐비트들 1과 3에 적용하고, 큐비트 2가 1이면(예컨대, 표준 기저에서), 이것은 연산 을 대신 적용한다. 이 가젯은 로서 표시되고, 예를 들어, 일 시퀀스의 3개의 게이트 를 사용하여 구현될 수 있으며, 여기서 CZ 게이트들은 큐비트 2를 제어(control)로서 갖고 게이트는 큐비트들 1 및 3 상에서 작동한다. 위에서 설명된 이 가젯의 동작은 세 개의 행렬의 곱을 계산함으로써 검증될 수 있다. 또 다른 예에서, 가젯 회로는 게이트를 단일 게이트로서가 아닌 일 시퀀스의 세 개의 회전으로서 처리함으로써 구현된다.For the construction of a Clifford Loader circuit, a gadget (in circuit complexity theory, a subcircuit that performs a specific function) operates on the following three qubits (in ascending order, e.g. 1, 2 and 3 for convenience): terminology used for): If qubit 2 is 0 (e.g., in the standard basis), then this is the applies to qubits 1 and 3, and if qubit 2 is 1 (e.g., in the standard basis), this is the operation Apply instead. This gadget is , for example, three gates in a sequence It can be implemented using , where the CZ gates have qubit 2 as control. The gate operates on qubits 1 and 3. The operation of this gadget described above can be verified by calculating the product of three matrices. In another example, the gadget circuit is It is implemented by treating the gate as three turns in a sequence rather than as a single gate.

가젯들 외에도, 클리포드 로더는 BS 게이트에 대한 입력으로서 사용되는 일 시퀀스의 각도들을 포함한다. 이 시퀀스의 각도들은 벡터 x로부터 계산된다. 두 실시형태에 대한 일 시퀀스의 각도들이 아래에 설명된다. 제1 실시형태에 대한 각도 시퀀스가 미국 특허 출원 제16/986,553호에 설명된 시퀀스와 동일하다는 점이 주의되며, 이 미국 특허 출원은 전체적으로 참조로서 포함된다. 제2 실시형태에 대한 각도 시퀀스는 본 개시내용에 특유하다.In addition to the gadgets, the Clifford loader contains a sequence of angles that are used as input to the BS gate. The angles in this sequence are calculated from the vector x. One sequence of angles for both embodiments is described below. It is noted that the angle sequence for the first embodiment is identical to the sequence described in US Patent Application No. 16/986,553, which is incorporated by reference in its entirety. The angle sequence for the second embodiment is specific to the present disclosure.

제1 실시형태에 대한 각도 시퀀스가 미국 특허 출원 제16/986,553호에 설명된 시퀀스와 동일하지만, 이것이 본원에 완전성을 위해서 간략하게 설명된다. 먼저, 벡터 x에 대한 중간 제곱 진폭들의 보조 시리즈 가 정의된다. 마지막 N/2 값들 은 다음과 같이 정의된다(인덱스 의 경우):Although the angle sequence for the first embodiment is identical to the sequence described in US patent application Ser. No. 16/986,553, it is briefly described herein for completeness. First, the auxiliary series of mid-square amplitudes for vector x is defined. Last N/2 values is defined as follows (index In the case of):

(6) (6)

제1 N/2-1개의 값들은 다음과 같이 정의된다(인덱스 j가 N/2에서 시작하여 1로 내려가는 경우):The first N/2-1 values are defined as follows (where index j starts at N/2 and goes down to 1):

(7) (7)

마지막 N/2 각도들 은 다음과 같이 정의된다:Last N/2 angles is defined as follows:

, 가 양인 경우, 그리고 (8) , If is positive, and (8)

, 가 음인 경우, (9) , If is negative, (9)

제1 N/2개의 각도들 의 경우 로서 정의된다.1st N/2 angles silver In the case of It is defined as.

제2 실시형태에 대한 각도 시퀀스는 다음과 같이 정의된다. 제1 각도는 다음과 같고:The angle sequence for the second embodiment is defined as follows. The first angle is:

(10) (10)

후속 각도들은, 1 < i < N 인 경우 다음과 같이 정의된다,Subsequent angles, for 1 < i < N, are defined as follows,

(11) (11)

각도들의 값들을 정의하는 유사한 방법이 가능하고, 두 실시형태 모두에 대한 본 방법들과 동일한 방법에 속한다. 예를 들어, 각도들에 대한 부호들이 뒤집히거나 π의 배수들이 각도들에 추가될 수 있다.A similar method of defining the values of the angles is possible and falls within the same method as the present methods for both embodiments. For example, the signs for angles may be reversed or multiples of π may be added to the angles.

이제 임의의 벡터 에 대한 클리포드 로더 를 구현하기 위한 두 개의 서로 다른 양자 회로가 정의될 수 있다. 구성의 제1 단계는 (상술된 바와 같은) 각도 시퀀스의 계산이다. 이 두 시퀀스는 모두 계산되어 클리포드 로더 회로를 위한 매개변수들로서 사용될 수 있다. 각도 시퀀스를 결정하는 계산 시간은 벡터 x의 차원에 선형적으로 비례할 수 있다.Now we have a random vector Clifford Lauder for Two different quantum circuits can be defined to implement. The first step in construction is the calculation of the angle sequence (as described above). Both of these sequences can be calculated and used as parameters for the Clifford loader circuit. The computational time to determine the angle sequence can be linearly proportional to the dimension of the vector x.

클리포드 로더를 구성하기 위한 제1 실시형태가 여기에 설명되고, 이는 도 1의 8차원 벡터에 대해 그리고 도 3a 및 도 3b의 16차원 벡터에 대해 예시된다(도 3b는 회로의 레벨들을 나타냄). 제1 실시형태에 따른 클리포드 로더 회로는, 좌측의 양자 회로 와 우측의 이의 수반 행렬(adjoint)() 사이에 샌드위치된 (여기서 는 각각 로그 깊이를 가짐) 제1 큐비트 상의 X 게이트를 포함하며, 즉 이다. 에 대한 반복적 설명은 가젯들을 사용하여 아래에서 제공된다. 또한, 총 회로 깊이가 N의 로그임이 명시적으로 보여진다. 의 경우, 게이트들은 와 비교하여 역전되어 공액화된다(CX 및 CZ는 자기 공액(self-conjugate)임이 주의된다).A first embodiment for constructing a Clifford loader is described herein, which is illustrated for an 8-dimensional vector in Figure 1 and for a 16-dimensional vector in Figures 3A and 3B (Figure 3B represents the levels of the circuit). The Clifford Loader circuit according to the first embodiment is the quantum circuit on the left. and its adjoint on the right ( ) sandwiched between (where and contains an X gate on the first qubit, each with logarithmic depth, i.e. am. An iterative explanation using gadgets is provided below. Additionally, it is explicitly shown that the total circuit depth is logarithmic of N. In the case, the gates are is inverted and conjugated compared to (note that CX and CZ are self-conjugate).

두 개의 서로 다른 양자 회로 를 구성하는 데 사용되는 몇 가지 표기법이 소개된다. 이 설명에서, 별도의 세트들의 큐비트들 상에서 병렬로 이어지는 양자 회로들 에 대해 표기법 이 사용되며, 동일한 세트의 큐비트들 상에 있는 회로들의 순차적 구성을 나타내기 위해 표기법 가 사용된다. 회로가 하나 이상의 게이트의 순서가 매겨진 모음이라는 것이 주의된다. 예를 들어, 일 회로는 단일 게이트만을 포함할 수 있다. 서브회로는 더 큰 회로의 일부인 일 회로를 지칭할 수 있다. 또한 CX 게이트들이 있는 클리포드 로더를 구성하는 보조 회로가 포함된다. 큐비트 2가 계산 끝에서 2로부터 N까지의 큐비트들의 패리티 을 포함하도록, 을 일 시퀀스의 CX 게이트들에 의해서 추종되는 C(x)이게끔 정의한다(예컨대, 도 1의 회로 참조).Two different quantum circuits and Several notations used to construct are introduced. In this description, quantum circuits run in parallel on separate sets of qubits and About notation is used, a notation to represent the sequential configuration of circuits on the same set of qubits. is used. Note that a circuit is an ordered collection of one or more gates. For example, a circuit may include only a single gate. A subcircuit may refer to a circuit that is part of a larger circuit. Also included are auxiliary circuits that form a Clifford loader with CX gates. Parity of qubits from 2 to N at the end of qubit 2 calculation To include, Define to be C(x) followed by a sequence of CX gates (e.g., the circuit of Figure 1 reference).

이제 도 1의 회로들 C(x)에 대한 예시적인 재귀적 구성이 제공된다. 위에서 설명된 것처럼, 클리포드 로더는 회로 C(x)와 회로 C(x)*를 이들 사이에 X 게이트를 둔 상태로 적용함으로써 획득될 수 있다. 벡터 x의 차원(즉, N)은 2의 거듭제곱인 것으로 가정된다. 이 가정은 벡터 x를 0으로 패드(pad)하여 이의 차원을 2의 거듭제곱이 되게 할 수 있으므로 일반성을 잃지 않고 이루어질 수 있다. 2차원 단위 벡터 의 경우, 정의에 따라 클리포드 로더는 회로 이며, 여기서 이고, 따라서 방정식 4의 항등식을 사용하여 이다. 이 2차원 구성은 재귀적 구성의 기본 사례로서 사용되며, 더 높은 차원 벡터에 대한 클리포드 로더를 구축하는 데 사용된다. 다음으로 더 높은 차원의 벡터에 대한 에 대한 재귀적 정의가 제공된다. 를 벡터 x의 두 개의 반쪽, 즉 를 나타내는 N/2 차원 벡터라고 가정하면, 벡터 x에 대한 클리포드 로더는 재귀적 관계들을 사용하여 구성된다:An example recursive construction for circuits C(x) of Figure 1 is now provided. As explained above, the Clifford loader can be obtained by applying circuit C(x) and circuit C(x)* with an X gate between them. The dimension of vector x (i.e. N) is assumed to be a power of 2. This assumption can be made without loss of generality since we can pad the vector x with 0, making its dimension a power of 2. 2D unit vector For, by definition, Clifford Lauder has a circuit and where , and therefore, using the identity in equation 4, am. This two-dimensional construction is used as a base case for recursive construction and is used to build Clifford loaders for higher-dimensional vectors. Next, for higher dimensional vectors and A recursive definition is provided. and to the two halves of vector x, i.e. and Assuming an N/2-dimensional vector representing

(12) (12)

(13) (13)

여기서 Gijk는 3개의 큐비트 가젯이고, 은 제어 큐비트 역할을 하는 큐비트 i를 구비하는 제어된 X 게이트들을 나타낸다.Here G ijk is a three-qubit gadget, represents controlled X gates with qubit i serving as the control qubit.

C(x)에 대한 회로 깊이는 재귀적 관계들로부터 획득될 수 있다. d(N)을 차원의 함수인 회로 깊이라고 하면, d(2)=1이고 재귀로부터 가 구해진다. 이 재귀적 관계들을 사용하여 회로가 구현될 때 가젯 Gijk는 깊이 3을 갖고 CX(N/2+2, N/2+1)는 가젯 Gijk의 제3 레이어와 병렬로 수행될 수 있다. 따라서 이러한 재발에 대한 명시적 해법은 2보다 더 큰 2의 N 거듭제곱에 대한 이다.The circuit depth for C(x) can be obtained from recursive relationships. Let d(N) be the circuit depth as a function of dimension, then d(2)=1 and from recursion and is saved. When the circuit is implemented using these recursive relations, gadget G ijk has depth 3 and CX(N/2+2, N/2+1) can be performed in parallel with the third layer of gadget G ijk . Therefore, the explicit solution for this recurrence is for N powers of 2 greater than 2. am.

재귀가 풀리고 4차원 및 8차원 벡터들 x에 대한 의 명시적인 설명이 제공된다. 4차원 C(x) 회로는 깊이 4*(2-1) = 4를 갖는다. 이것은 BS 게이트에 대한 입력으로서 (상술된 바와 같이) 제1 실시형태에 따라 계산된 벡터 x에 대한 각도 를 사용한다. 회로 C(x) 내 4개의 레이어에 대한 게이트 레벨 설명이 제공된다.The recursion is solved and the 4-dimensional and 8-dimensional vectors An explicit explanation is provided. A four-dimensional C(x) circuit has depth 4*(2-1) = 4. This is the angle with respect to the vector x calculated according to the first embodiment (as described above) as input to the BS gate. Use . Gate level descriptions of the four layers within circuit C(x) are provided.

레이어 1: Layer 1:

레이어 2: Layer 2:

레이어 3: Layer 3:

레이어 4: Layer 4:

8차원 C(x) 회로는 위에서 설명된 바와 같이 깊이 4*(3-1) = 8을 갖는다. 벡터 x에 대한 각도들 는 (위에서 설명된 바와 같이) 제1 실시형태에 따라 계산되고, C(x) 내 BS 게이트들에 대한 입력들이다. 도 1에 예시된 회로 C(x) 내 모든 8개의 레이어에 대한 게이트 레벨 설명이 제공된다:An 8-dimensional C(x) circuit has depth 4*(3-1) = 8, as described above. Angles about vector x are calculated according to the first embodiment (as described above) and are the inputs to the BS gates in C(x). Gate level descriptions are provided for all eight layers in the circuit C(x) illustrated in Figure 1:

레이어 1: Layer 1:

레이어 2: Layer 2:

레이어 3: Layer 3:

레이어 4: Layer 4:

레이어 5: Layer 5:

레이어 6: Layer 6:

레이어 7: Layer 7:

레이어 8: Layer 8:

레이어들 2 내지 4와 레이어들 6 내지 8은 레이어 4에서 병렬로 수행되는 일부 패리티 계산들을 사용하여 가젯 Gijk를 구현한다. 구체적으로, 패리티 계산들은 CX 게이트들에 의해서 표시되고, CZ 게이트들은 가젯 Gijk의 일부이다. 도 1에서 회로 C(x)를 아래로부터 위로, 왼쪽으로부터 오른쪽으로 통과하면, 계산된 각도 시퀀스가 역순으로 사용된다는 것이 주의된다.Layers 2 to 4 and Layers 6 to 8 implement gadget G ijk with some parity calculations performed in parallel in layer 4. Specifically, parity calculations are represented by CX gates, and CZ gates are part of the gadget G ijk . Note that going through circuit C(x) in Figure 1 from bottom to top, left to right, the calculated angle sequence is used in reverse order.

클리포드 로더의 제2 실시형태는 수학식 10 및 11을 참조하여 설명된 각도 시퀀스를 사용한다. 을 각도 시퀀스라고 하면, 제2 실시형태에 따른 클리포드 로더는 로서 구현될 수 있으며, 이때 다음과 같다:A second embodiment of the Clifford Loader uses the angle sequence described with reference to Equations 10 and 11. If is an angle sequence, the Clifford loader according to the second embodiment is It can be implemented as:

(14) (14)

이것은, 제1 실시형태와 달리, n차원 벡터 x에 대한 클리포드 로더 를 구현하기 위해, (n-1)개의 BS 게이트를 순차적으로 사용하고, 선형 회로 깊이를 갖는다. 제2 실시형태에 따른 예시적인 회로 클리포드 로더 회로는 도 2에서 도시된다.Unlike the first embodiment, this is a Clifford Loader for n-dimensional vector x To implement, (n-1) BS gates are used sequentially and have a linear circuit depth. An exemplary circuit Clifford loader circuit according to the second embodiment is shown in FIG. 2 .

파트 2: 클리포드 로더의 적용들Part 2: Applications of Clifford Lauder

이제 클리포드 로더를 행렬식 샘플링과 관련된 양자 기계 학습에서의 응용분야들에 사용하는 방법이 설명된다. 특히, 행렬식 분포들에 따른 샘플링의 근본적인 문제를 해결하기 위해 클리포드 로더를 사용하는 방법 및 대표적인 기능 선택에 대한 이의 적용이 설명된다.We now describe how to use Clifford Loader for applications in quantum machine learning involving determinant sampling. In particular, a method of using Clifford Loader to solve the fundamental problem of sampling according to determinant distributions and its application to representative feature selection is described.

고전적 컴퓨터를 사용한 행렬식 샘플링은, 단일 d 차원 행렬의 행렬식을 계산하는 복잡성이 과 같이 변경되므로, 계산 비용이 많이 든다. 이론적으로, 단일 행렬식을 계산하기 위해 을 달성할 수 있는 복잡한 이론적 구성이 있지만, 이는 큰 상수 인자 오버헤드로 인해 단지 매우 큰 d에 대해 표준 방법보다 성능이 뛰어날 뿐이다. 더욱이, 대부분의 고전적 행렬식 샘플링 알고리즘은 여러 행렬식을 계산해야 하며, 이는 더 높은 계산 요구로 이어진다. 대조적으로, 본 개시내용에 설명된 양자 알고리즘은 복잡성 을 갖는다.Determinant sampling using classical computers reduces the complexity of calculating the determinant of a single d-dimensional matrix. Since it changes as follows, the calculation cost is high. Theoretically, to calculate a single determinant There are complex theoretical constructs that can achieve , but they only outperform standard methods for very large d due to the large constant argument overhead. Moreover, most classical determinant sampling algorithms require calculating multiple determinants, which leads to higher computational demands. In contrast, the quantum algorithms described in this disclosure have complexity has

행렬식 샘플링 문제에 대한 입력은 행렬 이고, 이는 각각 차원이 d를 갖는 n개의 행 벡터를 포함하는 행렬이다. 출력은, 를 선택할 확률이 내 벡터들에 걸쳐 있는 평행육면체의 부피 제곱에 비례하도록 인 서브세트 이다. 좀 더 공식적으로,The input to the determinant sampling problem is a matrix , which is a matrix containing n row vectors each with dimension d. The output is, The probability of choosing Proportional to the square of the volume of the parallelepiped across my vectors in subset am. More formally,

(15) (15)

이고, 은 S에 속하는 A의 행들을 선택함으로써 획득된 행렬을 나타낸다. 모든 확률들이 양수이고, 가능한 모든 S에 대한 확률들의 합이 코시 비네(Cauchy Binet) 항등식들에 의해서 1이라는 것이 분명하다.ego, is obtained by selecting the rows of A that belong to S. Represents a matrix. It is clear that all probabilities are positive, and the sum of the probabilities for all possible S is 1 by the Cauchy Binet identities.

행렬식은 벡터들이 직교일 때 최대화되고 벡터들 중 하나라도 다른 벡터들의 선형 결합이면 작기 때문에, 행렬식 샘플러(sampler)의 출력은 d '거의 직교' 벡터들을 포함하는 일 세트 S이다. 행렬식 샘플러의 출력 내 행 벡터들은, 이므로, 이들 사이에 선형 종속성이 없는 것이 보장되고, 만약 선형 종속성이 있는 경우, 이 경우에 S는 샘플러의 출력에 나타나지 않을 것이다. 행렬식 샘플러의 출력은 일 세트의 다양하고 대표적인 벡터들이다. 이것은 한 세트의 대표적인 기능들을 샘플링하는 것이 목표인 기계 학습 응용분야에 유용할 수 있다.Since the determinant is maximized when the vectors are orthogonal and is small if any of the vectors is a linear combination of the others, the output of the determinant sampler is a set S containing d 'almost orthogonal' vectors. The row vectors in the output of the determinant sampler are: Therefore, it is guaranteed that there is no linear dependency between them, and if there is a linear dependency, in this case S will not appear in the output of the sampler. The output of the determinant sampler is a set of diverse, representative vectors. This can be useful in machine learning applications where the goal is to sample a set of representative features.

예시적인 사용 사례로서, 대표적이고 다양한 기능들을 사용하여 한 세트의 사용자들을 선택하는 것이 목표인, 사용자들 및 사용자들과 연관된 기능들의 대규모 데이터세트가 고려된다. 행렬식 샘플링은 데이터세트를 대표하는 다양한 한 그룹의 사용자들을 선택한다. 이것은 그 내에 존재하는 다양한 그룹들의 사용자들 모두를 보유하는 대규모 데이터세트에 대한 간결한 요약을 얻는 기술이다.As an example use case, a large dataset of users and features associated with users is considered, where the goal is to select a set of users with representative and diverse features. Determinant sampling selects a diverse group of users to represent a dataset. This is a technique to obtain a concise summary of a large dataset containing all of the various groups of users present within it.

행렬식 샘플러의 출력은 또한 행 선택에 의한 낮은 랭크(rank)의 근사치를 위해서, 그리고 클러스터링 알고리즘들에 대한 입력으로서 사용될 수 있으며, 이 알고리즘들은 표준 방법들을 개선하는 것으로 밝혀졌다.The output of a determinant sampler can also be used for approximation of low rank by row selection and as input to clustering algorithms, which have been found to improve upon standard methods.

다음은 행렬식 샘플링을, 클리포드 로더의 조합을 사용하여 수행하는 방법을 설명한다. 파트 1로부터, 클리포드 로더 가 모든 N 차원 벡터 x에 대해 정의된 유니터리 연산자라는 것을 상기한다. 또한, 제1 실시형태와 관련하여, 두 개의 큐비트 게이트와 의 회로 깊이를 사용하여 클리포드 로더에 대한 구현예가 제공되었다.The following explains how to perform determinant sampling using a combination of Clifford Loader. From Part 1, Clifford Lauder Recall that is a unitary operator defined for all N-dimensional vectors x. Additionally, with regard to the first embodiment, two qubit gates and An implementation example for a Clifford loader is provided using a circuit depth of .

클리포드 로더를 사용한 행렬식 샘플링 알고리즘은 다음과 같다. 을 행렬 의 열들이라 가정한다. 양자 회로The determinant sampling algorithm using Clifford Loader is as follows. a matrix Assume that these are the columns of . quantum circuit

(16) (16)

를 적용하고, 결과 상태를 표준 기저에서 측정한다. 이러한 연산들의 결과는 d개의 1과 (N-d)개의 0을 갖는 비트 스트링의 진폭이 행렬식 인 비트 스트링들에 대한 양자 중첩이다. 따라서 표준 기저에서 측정하는 것은 행렬식 분포로부터 을 사용하여 샘플링한다. 양자 알고리즘은 표준 기저에서 측정하여 N-비트 출력 스트링을 획득한다. S를 출력 스트링 내 한 세트의 1들이라 가정하면, |S|=d인 경우, 이것은 S를 출력한다.Apply and measure the resulting state on a standard basis. The result of these operations is that the amplitude of a bit string with d 1s and (Nd) 0s is determined by the determinant Quantum superposition of bit strings. Therefore, what we measure from the standard basis is from the determinant distribution. Sample using . The quantum algorithm measures from a standard basis to obtain an N-bit output string. Assuming S is a set of 1s in the output string, if |S|=d, then it outputs S.

위의 절차는 N개의 큐비트를 사용하고, d개의 클리포드 로더 회로를 순차적으로 계속하여 적용하는 데 파트 1의 제1 실시형태를 사용하여 회로 깊이 를 갖는다. 절차는 행렬 A의 열들이 직교하는 경우 확률 1로 성공한다. 보다 일반적으로 성공 확률은 이다.The above procedure uses N qubits and sequentially continues applying d Clifford Loader circuits, using the first embodiment of Part 1 to obtain the circuit depth. has The procedure succeeds with probability 1 if the columns of matrix A are orthogonal. More generally, the probability of success is am.

수학식 16을 참조하여 위에서 설명된 절차가 성공한 경우, 출력 S는 행렬식 분포에 따른 샘플이다. 즉, 절차는 정확하고 행렬식 샘플링 문제를 시간 내에 정확하게 해결한다.If the procedure described above with reference to Equation 16 is successful, the output S is a sample according to the determinant distribution. That is, the procedure is accurate and time-sensitive to the determinant sampling problem. Solve it accurately within

행렬식 샘플러의 성공 확률은 먼저, 행렬 A에 랜덤 부호 행렬 또는 아다마르(Hadamard) 행렬을 곱하고 에 대해 행렬식 샘플러를 실행함으로써 향상될 수 있다. 아다마르 행렬에 의한 곱셈을 위한 최첨단 절차를 사용하여, 이러한 전처리가 A의 0이 아닌 항목들의 수에서 시간 선형으로 수행될 수 있다.The success probability of a determinant sampler is first multiplied by matrix A by a random sign matrix or Hadamard matrix, This can be improved by running a determinant sampler on . Using state-of-the-art procedures for multiplication by Hadamard matrices, this preprocessing can be performed linearly in time on the number of non-zero entries of A.

A가 직교 행렬인 경우, 실행 시간(running time) 을 갖는 양자 행렬식 샘플링 알고리즘은 실행 시간 을 갖는 가장 잘 알려진 고전적 알고리즘에 비해 속도 향상을 제공한다.If A is an orthogonal matrix, running time A quantum determinant sampling algorithm with running time It provides a speedup compared to the most well-known classical algorithm with .

보다 일반적으로, 일 시퀀스의 클리포드 로더 연산들 은 벡터들 에 의해서 확장된 k-차원 부분 공간의 표현을 제공한다. 또한, 벡터들이 정규 직교인 경우, 이 표현을 얻을 성공 확률이 더 높다. 이것은 클리포드 로더를 저차원 부분 공간들에 대한 선형 부분 공간들 상으로의 투영들을 찾는 데 유용하게 만든다.More generally, a sequence of Clifford Loader operations silver vectors Provides a representation of a k-dimensional subspace expanded by . Also, if the vectors are orthogonal, the probability of success in obtaining this representation is higher. This makes the Clifford Loader useful for finding projections of low-dimensional subspaces onto linear subspaces.

클리포드 로더는 또한, 가 단순 복합체의 Dirac 연산자들에 대한 블록 인코딩들을 생성하는 데 사용될 수 있는 양자 위상적 데이터 분석에 유용할 수 있다.Clifford Lauder also said, can be useful in quantum topological data analysis where can be used to generate block encodings for the Dirac operators of simple complexes.

파트 2가 클리포드 로더의 제1 실시형태를 참조하여 설명되지만, 클리포드 로드의 제2 실시형태가 대안적으로 사용될 수 있다. 이 경우, 실행 시간은 일 것이다.Although Part 2 is described with reference to Clifford Rodder's first embodiment, Clifford Roder's second embodiment may alternatively be used. In this case, the execution time will be .

추가적인 고려사항들Additional Considerations

양자 프로세싱 장치들(양자 컴퓨터들이라고도 함)은 계산을 수행하기 위해 양자 역학의 법칙들을 활용한다. 양자 프로세싱 장치들은 일반적으로 소위 큐비트들 또는 양자 비트들을 사용한다. 고전적 비트는 항상 0 또는 1의 값을 갖는 반면, 큐비트는 0, 1, 또는 두 값의 중첩 의 값을 가질 수 있는 양자 역학 시스템이며, 여기서 이다. 큐비트들의 예시적인 물리적 구현예는 초전도 큐비트, 이온 트랩, 및 포토닉스 시스템(예컨대, 도파관의 광자)을 포함한다.Quantum processing devices (also called quantum computers) utilize the laws of quantum mechanics to perform calculations. Quantum processing devices generally use so-called qubits or quantum bits. Classical bits always have a value of 0 or 1, while qubits have values of 0, 1, or a superposition of both. It is a quantum mechanical system that can have the value of , where and am. Exemplary physical implementations of qubits include superconducting qubits, ion traps, and photonics systems (eg, photonics in a waveguide).

양자 회로는 하나 이상의 게이트의 순서가 매겨진 모음이다. 서브회로는 더 큰 회로의 일부인 일 회로를 지칭할 수 있다. 게이트는 하나 이상의 큐비트 상에서 수행되는 유니터리 연산을 나타낸다. 양자 컴퓨터는 하나의 범용 세트의 1개 및 2개의 큐비트 게이트를 사용할 수 있으며, 포괄적으로 임의의 양자 회로가 이러한 게이트들의 조합으로서 작성될 수 있다는 것을 의미한다. 양자 게이트들은 유니터리 행렬들을 사용하여 설명될 수 있다. 양자 회로의 깊이는 양자 컴퓨터 상에서 회로를 실행하는 데 필요한 단계들의 최소 수이다. 양자 회로의 레이어는 회로의 한 단계를 지칭할 수 있다.A quantum circuit is an ordered collection of one or more gates. A subcircuit may refer to a circuit that is part of a larger circuit. A gate represents a unitary operation performed on one or more qubits. Quantum computers can use a universal set of one- and two-qubit gates, broadly meaning that arbitrary quantum circuits can be written as combinations of these gates. Quantum gates can be described using unitary matrices. The depth of a quantum circuit is the minimum number of steps required to run the circuit on a quantum computer. A layer in a quantum circuit can refer to one level of the circuit.

하나 이상의 양자 컴퓨터 상에서 양자 회로를 실행하기 위한 명령어는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장될 수 있다. "컴퓨터 판독 가능 저장 매체"라는 용어는 명령어를 저장할 수 있는 단일 매체 또는 다수의 매체(예컨대, 중앙 집중식 또는 분산된 데이터베이스, 연관된 캐시들 및 서버들)를 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 용어 "컴퓨터 판독 가능 매체"는 또한, 양자 컴퓨터에 의한 실행을 위한 명령어를 저장할 수 있는, 그리고 양자 컴퓨터가 본원에 개시된 방법들 중 하나 이상을 수행하게 하는 임의의 매체를 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 용어 "컴퓨터 판독 가능 매체"는 솔리드 스테이트 메모리, 광학 매체 및 자기 매체 형태의 데이터 저장소를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.Instructions for executing a quantum circuit on one or more quantum computers may be stored in a non-transitory computer-readable storage medium. The term “computer-readable storage medium” should be considered to include a single medium or multiple media (eg, centralized or distributed databases, associated caches and servers) capable of storing instructions. The term “computer-readable medium” should also be considered to include any medium capable of storing instructions for execution by a quantum computer and causing a quantum computer to perform one or more of the methods disclosed herein. The term “computer-readable media” includes, but is not limited to, data storage in the form of solid-state memory, optical media, and magnetic media.

상술된 접근 방식은, 양자 컴퓨팅이 별도의 사용자들에게 공유 서비스로서 제공되는 클라우드 양자 컴퓨팅 시스템에 적용될 수 있다. 일례가, 발명의 명칭이 "Quantum Computing as a Service,"인 특허 출원 제15/446,973호에서 설명되며, 이는 참조로 본원에 포함된다.The above-described approach can be applied to cloud quantum computing systems where quantum computing is provided as a shared service to separate users. One example is described in patent application Ser. No. 15/446,973, entitled “Quantum Computing as a Service,” which is incorporated herein by reference.

위 설명의 일부 부분은 알고리즘 프로세스 또는 연산의 관점에서 실시형태를 설명한다. 이러한 알고리즘 설명 및 표현은 컴퓨팅 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해서 자신의 작업의 내용을 해당 기술 분야에서 숙련된 다른 사람들에게 효과적으로 전달하기 위해 일반적으로 사용된다. 이러한 동작은 기능적으로, 계산적으로, 또는 논리적으로 설명되지만, 프로세서에 의한 실행을 위한 명령어를 포함하는 컴퓨터 프로그램이나 등가의 전기 회로, 마이크로코드 등에 의해서 구현되는 것으로 이해된다. 더욱이, 일반성을 잃지 않으면서, 기능적 작업들의 이러한 배열들을 모듈로서 지칭하는 것이 때로는 편리한 것으로 입증되었다.Some portions of the above description describe embodiments in terms of algorithmic processes or operations. These algorithmic descriptions and representations are commonly used by people skilled in the computing arts to effectively convey the content of their work to others skilled in the art. These operations are described functionally, computationally, or logically, but are understood to be implemented by a computer program containing instructions for execution by a processor, an equivalent electric circuit, microcode, etc. Moreover, without loss of generality, it has sometimes proven convenient to refer to these arrangements of functional tasks as modules.

본원에 사용된 바와 같이, "하나의 실시형태" 또는 "일 실시형태"에 대한 임의의 언급은 이 실시형태와 관련하여 설명된 특정 요소, 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시형태에 포함된다는 것을 의미한다. 본 명세서의 여러 위치에 나타나는 "한 실시형태에서"라는 문구가 모두 반드시 동일한 실시형태를 지칭하는 것은 아니다. 마찬가지로, 요소나 구성요소 앞에 "일" 또는 "한"을 사용하는 것은 단지 편의를 위해 행해진다. 달리 의미되는 것이 명백하지 않는 한, 본 설명은 하나 이상의 요소 또는 구성요소가 존재한다는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.As used herein, any reference to “one embodiment” or “one embodiment” means that a particular element, feature, structure or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment. means that The phrases “in one embodiment” appearing in various places in the specification are not necessarily all referring to the same embodiment. Likewise, using “one” or “one” in front of an element or component is done for convenience only. Unless it is clear that otherwise is meant, the description should be understood to mean that one or more elements or components are present.

값들이 "대략적인" 또는 "실질적으로"(또는 이들의 파생어들)로서 설명되는 경우, 문맥으로부터 다른 의미가 명백하지 않는 한, 이러한 값들은 +/- 10%의 정확도로서 해석되어야 한다. 예를 들어, "대략 10"은 "9로부터 11까지의 범위 내"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.When values are described as “approximately” or “substantially” (or derivatives thereof), such values should be construed to an accuracy of +/- 10%, unless a different meaning is clear from the context. For example, “approximately 10” should be understood to mean “in the range from 9 to 11.”

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "포함하다", "포함한", "갖는다", "갖는", "구비한다", "구비한" 또는 이들의 임의의 다른 변형예는 비배타적 포함을 포괄하도록 의도된다. 예를 들어, 요소들의 목록을 포함하는 프로세스, 방법, 물품 또는 장치는 해당 요소들에만 반드시 한정되는 것은 아니고, 이러한 프로세스, 방법, 물품 또는 장치에 명시적으로 나열되지 않거나 내재적이지 않은 다른 요소를 포함할 수 있다. 또한, 명시적으로 달리 명시하지 않는 한, "또는"은 '배타적인 또는'이 아닌 '포괄적인 또는'을 의미한다. 예를 들어, 조건 A 또는 B는 다음 중 어느 하나에 의해 충족된다: A는 참(또는 존재)이고 B는 거짓(또는 존재하지 않음), A는 거짓(또는 존재하지 않음)이고 B는 참(또는 존재), 및 A와 B 모두 참(또는 존재).As used herein, the terms “comprise,” “including,” “have,” “having,” “comprising,” “equipped with,” or any other variations thereof are intended to encompass non-exclusive inclusions. do. For example, a process, method, article or device containing a list of elements is not necessarily limited to only those elements and may include other elements not explicitly listed or inherent in such process, method, article or device. can do. Additionally, unless explicitly stated otherwise, “or” means ‘inclusive or’ rather than ‘exclusive or’. For example, condition A or B is satisfied by either: A is true (or exists) and B is false (or does not exist), A is false (or does not exist) and B is true ( or exists), and both A and B are true (or exist).

당업자에게 명백할 다양한 다른 수정, 변경 및 변형이, 첨부된 청구범위에 정의된 사상과 범위를 벗어나지 않으면서 본원에 개시된 방법 및 장치의 배열, 작동 및 세부사항에 만들어질 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 이의 법적 균등물에 의해서 결정되어야 한다.Various other modifications, changes and variations, which will be apparent to those skilled in the art, may be made in the arrangement, operation and details of the methods and devices disclosed herein without departing from the spirit and scope as defined in the appended claims. Therefore, the scope of the present invention should be determined by the appended claims and their legal equivalents.

대안적인 실시형태는 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 및/또는 이들의 조합으로 구현된다. 구현예는 프로그래밍 가능한 프로세서에 의한 실행을 위해 기계 판독 가능 저장 장치에 유형적으로 구현된 컴퓨터 프로그램 제품으로 구현될 수 있고, 방법 단계는 프로그래밍 가능한 프로세서가 명령어들의 프로그램을 실행하여 입력 데이터에 대해 작동하고 출력을 생성하여 기능을 실행함으로써 수행될 수 있다. 실시형태는 유리하게는, 데이터 저장 시스템, 적어도 하나의 입력 장치, 및 적어도 하나의 출력 장치로부터 데이터 및 명령어를 수신하고, 이에 대해서 데이터 및 명령어를 전송하도록 결합된 적어도 하나의 프로그래밍 가능한 프로세서를 포함하는 프로그래밍 가능한 시스템 상에서 실행 가능한 하나 이상의 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 각각의 컴퓨터 프로그램은 높은 수준의 절차적 또는 객체 지향 프로그래밍 언어로 구현되거나, 원하는 경우, 어셈블리 또는 기계어로 구현될 수 있고, 어느 경우든, 언어는 컴파일드 또는 인터프리티드(interpreted) 언어일 수 있다. 적합한 프로세서는, 예를 들어, 범용 마이크로프로세서 및 특수 목적 마이크로프로세서 모두를 포함한다. 일반적으로, 프로세서는 읽기 전용 메모리 및/또는 랜덤 액세스 메모리로부터 명령어 및 데이터를 수신할 것이다. 일반적으로, 컴퓨터는 데이터 파일을 저장하기 위한 하나 이상의 대량 저장 장치를 포함하고, 이러한 장치는, 내부 하드 디스크와 이동식 디스크와 같은 자기 디스크; 광자기 디스크; 및 광디스크를 포함한다. 컴퓨터 프로그램 명령어 및 데이터를 유형적으로 구현하는 데 적합한 저장 장치는, EPROM, EEPROM, 플래시 메모리 장치 등과 같은 반도체 메모리 장치; 내장형 하드디스크, 이동식 디스크 등과 같은 자기디스크; 광자기 디스크; 및 CD-ROM 디스크를 포함하여, 모든 형태의 비휘발성 메모리를 포함한다. 전술한 내용은 주문형 직접 회로(ASIC: application-specified integrated circuit) 및 기타 형태의 하드웨어에 의해서 보완되거나 이에 통합될 수 있다.Alternative embodiments are implemented in computer hardware, firmware, software, and/or combinations thereof. Implementations may be implemented as a computer program product tangibly embodied in a machine-readable storage device for execution by a programmable processor, wherein the method steps include the programmable processor executing a program of instructions to operate on input data and output This can be done by creating and executing the function. Embodiments advantageously include at least one programmable processor coupled to receive data and instructions from, and transmit data and instructions to, a data storage system, at least one input device, and at least one output device. It may be implemented as one or more computer programs executable on a programmable system. Each computer program may be implemented in a high-level procedural or object-oriented programming language, or, if desired, in assembly or machine language, in either case the language may be a compiled or interpreted language. . Suitable processors include, for example, both general-purpose microprocessors and special-purpose microprocessors. Typically, a processor will receive instructions and data from read-only memory and/or random access memory. Typically, a computer includes one or more mass storage devices for storing data files, including magnetic disks such as internal hard disks and removable disks; magneto-optical disk; and optical disks. Storage devices suitable for tangibly implementing computer program instructions and data include semiconductor memory devices such as EPROM, EEPROM, flash memory devices, etc.; Magnetic disks such as built-in hard disks and removable disks; magneto-optical disk; and all forms of non-volatile memory, including CD-ROM disks. The foregoing may be supplemented or integrated with application-specified integrated circuits (ASICs) and other types of hardware.

Claims (40)

양자 컴퓨터에 의해서 양자 회로를 실행하기 위한 저장된 명령어를 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체로서, 상기 양자 컴퓨터는 적어도 N 개의 큐비트(qubit)(qn)를 포함하고, 상기 저장된 명령어는, 상기 양자 컴퓨터에 의해서 실행될 때, 상기 양자 컴퓨터로 하여금 작동들을 수행하게 하며, 상기 작동들은,
N/2개의 큐비트(q1-qN/2)에 적용되는 양자 게이트들을 포함하는 제1 서브 회로를 실행하는 단계 - 상기 제1 서브 회로의 실행 이후에, 큐비트(q2)의 값은 큐비트들(q2-qN/2)의 패리티(parity)를 나타냄 -;
상기 제1 서브 회로와 동시에 제2 서브 회로를 실행하는 단계 - 상기 제2 서브 회로는 N/2개의 큐비트(q(N/2+1)-qN)에 적용되는 양자 게이트들을 포함함 -; 및
상기 제1 서브 회로 및 상기 제2 서브 회로 이후에 가젯(gadget) 회로를 실행하는 단계 - 상기 가젯 회로는 큐비트들(q1, q2, 및 q(N/2+1))에 적용되는 양자 게이트들을 포함하고, 상기 가젯 회로의 상기 양자 게이트들 중 하나는 BS(θ) 게이트이고, 상기 BS(θ) 게이트는 단일 매개변수화된 2-큐비트 양자 게이트임 -를 포함하고,
큐비트(q2)의 값이 0이면, 상기 BS(θ) 게이트가 큐비트들(q1 및 q(N/2+1))에 적용되고,
큐비트(q2)의 값이 1이면, 상기 BS(θ) 게이트의 공액(conjugate)이 큐비트들(q1 및 q(N/2+1))에 적용되는, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
1. A non-transitory computer-readable storage medium containing stored instructions for executing a quantum circuit by a quantum computer, the quantum computer comprising at least N qubits (q n ), the stored instructions comprising: When executed by a quantum computer, it causes the quantum computer to perform operations, the operations comprising:
executing a first sub-circuit comprising quantum gates applied to N/2 qubits (q 1 -q N/2 ) - after execution of the first sub-circuit, the value of the qubits (q 2 ) represents the parity of qubits (q 2 -q N/2 ) -;
executing a second sub-circuit simultaneously with the first sub-circuit, wherein the second sub-circuit includes quantum gates applied to N/2 qubits (q (N/2+1) -q N ); ; and
Executing a gadget circuit after the first sub-circuit and the second sub-circuit, wherein the gadget circuit is applied to qubits (q 1 , q 2 , and q (N/2+1)) comprising quantum gates, wherein one of the quantum gates of the gadget circuit is a BS(θ) gate, and the BS(θ) gate is a single parameterized two-qubit quantum gate,
If the value of the qubit (q 2 ) is 0, the BS(θ) gate is applied to the qubits (q 1 and q (N/2+1) ),
If the value of the qubit (q 2 ) is 1, then the conjugate of the BS(θ) gate is applied to the qubits (q 1 and q (N/2+1)). media.
제1항에 있어서, 상기 제1 서브 회로를 실행하는 것은,
N/4개의 큐비트(q1-qN/4)에 적용되는 양자 게이트들을 포함하는 제3 서브 회로를 실행하는 단계 - 상기 제3 서브 회로의 실행 이후에, 큐비트(q2)의 값은 큐비트들(q2-qN/4)의 패리티를 나타냄 -;
상기 제3 서브 회로와 동시에 제4 서브 회로를 실행하는 단계 및 N/4개의 큐비트(q(N/4+1)-qN/2)에 적용되는 양자 게이트들을 포함하는 단계; 및
상기 제3 서브 회로 및 상기 제4 서브 회로 이후에 제2 가젯 회로를 실행하는 단계 - 상기 제2 가젯 회로는 큐비트들(q1, q2, 및 q(N/4+1))에 적용되는 양자 게이트들을 포함하고, 상기 제2 가젯 회로의 상기 양자 게이트들 중 하나는 제2 BS(θ) 게이트임 -를 포함하고,
큐비트(q2)의 값이 0이면, 상기 제2 BS(θ) 게이트가 큐비트들(q1 및 q(N/4+1))에 적용되고,
큐비트(q2)의 값이 1이면, 상기 제2 BS(θ) 게이트의 공액이 큐비트들(q1 및 q(N/4+1))에 적용되는, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
2. The method of claim 1, wherein executing the first sub-circuit comprises:
executing a third sub-circuit comprising quantum gates applied to N/4 qubits (q 1 -q N/4 ) - after execution of the third sub-circuit, the value of the qubit (q 2 ) represents the parity of qubits (q 2 -q N/4 ) -;
executing a fourth sub-circuit simultaneously with the third sub-circuit and including quantum gates applied to N/4 qubits (q (N/4+1) -q N/2 ); and
executing a second gadget circuit after the third sub-circuit and the fourth sub-circuit, wherein the second gadget circuit applies to qubits (q 1 , q 2 , and q (N/4+1)) wherein one of the quantum gates of the second gadget circuit is a second BS(θ) gate,
If the value of the qubit (q 2 ) is 0, the second BS(θ) gate is applied to the qubits (q 1 and q (N/4+1) ),
If the value of the qubit (q 2 ) is 1, then the conjugate of the second BS(θ) gate is applied to the qubits (q 1 and q (N/4+1)). .
제1항에 있어서, 상기 작동들은 상기 가젯 회로 이후에 큐비트(q1)에 적용된 X 게이트를 실행하는 단계를 더 포함하는, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.2. The non-transitory computer-readable storage medium of claim 1, wherein the operations further comprise executing an X gate applied to a qubit (q 1 ) after the gadget circuit. 제3항에 있어서, 상기 작동들은,
상기 X 게이트 이후에 제2 가젯 회로를 실행하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 가젯 회로는 큐비트들(q1, q2, 및 q(N/2+1))에 적용되는 양자 게이트들을 포함하고, 상기 제2 가젯 회로의 상기 양자 게이트들 중 하나는 제2 BS(θ) 게이트이고,
큐비트(q2)의 값이 0이면, 상기 BS(θ) 게이트의 공액이 큐비트들(q1 및 q(N/2+1))에 적용되고,
큐비트(q2)의 값이 1이면, 상기 BS(θ) 게이트가 큐비트들(q1 및 q(N/2+1))에 적용되는, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
The method of claim 3, wherein the operations are:
Further comprising executing a second gadget circuit after the wherein one of the quantum gates of the second gadget circuit is a second BS(θ) gate,
If the value of the qubit (q 2 ) is 0, the conjugate of the BS(θ) gate is applied to the qubits (q 1 and q (N/2+1) ),
If the value of qubit (q 2 ) is 1, then the BS(θ) gate is applied to qubits (q 1 and q (N/2+1)) .
제4항에 있어서, 상기 작동들은,
상기 제2 가젯 회로 이후에 제3 서브 회로를 실행하는 단계를 더 포함하고, 상기 제3 서브 회로는 N/2개의 큐비트(q1-qN/2)에 적용되는 양자 게이트들을 포함하고, 상기 제3 서브 회로의 상기 양자 게이트들은, 상기 제3 서브 회로의 상기 양자 게이트들이 역순으로 배열되고 상기 BS(θ) 게이트가 공액화된다는 것을 제외하고 상기 제1 서브 회로의 상기 양자 게이트들과 일치하는, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
The method of claim 4, wherein the operations are:
further comprising executing a third sub-circuit after the second gadget circuit, wherein the third sub-circuit includes quantum gates applied to N/2 qubits (q 1 -q N/2 ), The quantum gates of the third sub-circuit are identical to the quantum gates of the first sub-circuit except that the quantum gates of the third sub-circuit are arranged in reverse order and the BS(θ) gate is conjugated. A non-transitory computer-readable storage medium that
제5항에 있어서, 상기 작동들은,
상기 제3 서브 회로와 동시에 제4 서브 회로를 실행하는 단계를 더 포함하고, 상기 제4 서브 회로는 N/2개의 큐비트(q(N/2+1)-qN)에 적용되는 양자 게이트들을 포함하고, 상기 제4 서브 회로의 상기 양자 게이트들은, 상기 제4 서브 회로의 상기 양자 게이트들이 역순으로 배열되고 상기 BS(θ) 게이트들이 공액화된다는 것을 제외하고 상기 제2 서브 회로의 상기 양자 게이트들과 일치하는, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
The method of claim 5, wherein the operations are:
Further comprising executing a fourth sub-circuit simultaneously with the third sub-circuit, wherein the fourth sub-circuit is a quantum gate applied to N/2 qubits (q (N/2+1) -q N ). wherein the quantum gates of the fourth sub-circuit are the quantum gates of the second sub-circuit except that the quantum gates of the fourth sub-circuit are arranged in reverse order and the BS(θ) gates are conjugated. A non-transitory computer-readable storage medium consistent with gates.
제1항에 있어서, 상기 제1 서브 회로를 실행하는 것은,
큐비트들(q1 및 q2)에 제2 BS(θ) 게이트를 적용하고 큐비트들(q3 및 q4)에 제3 BS(θ) 게이트를 적용하는 제1 레이어(layer)를 실행하는 단계;
큐비트들(q1 및 q2)에 제1 CZ 게이트를 적용하는 제2 레이어를 실행하는 단계 - 상기 CZ 게이트는 제어된 Z 게이트임 -;
큐비트들(q1 및 q3)에 제4 BS(θ) 게이트를 적용하는 제3 레이어를 실행하는 단계;
큐비트들(q1 및 q2)에 제2 CZ 게이트를 적용하고 큐비트들(q3 및 q4)에 제1 CX 게이트를 적용하는 제4 레이어를 실행하는 단계 - 상기 CX 게이트는 제어된 X 게이트임 -; 및
큐비트들(q2 및 q3)에 제2 CX 게이트를 적용하는 제5 레이어를 실행하는 단계를 포함하는, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
2. The method of claim 1, wherein executing the first sub-circuit comprises:
Executing a first layer applying a second BS(θ) gate to the qubits (q 1 and q 2 ) and a third BS(θ) gate to the qubits (q 3 and q 4 ) steps;
executing a second layer applying a first CZ gate to the qubits (q 1 and q 2 ), where the CZ gate is a controlled Z gate;
executing a third layer applying a fourth BS(θ) gate to qubits (q 1 and q 3 );
Executing a fourth layer applying a second CZ gate to qubits (q 1 and q 2 ) and a first CX gate to qubits (q 3 and q 4 ), wherein the CX gate is controlled X gate -; and
A non-transitory computer-readable storage medium comprising executing a fifth layer applying a second CX gate to qubits (q 2 and q 3 ).
제1항에 있어서, 상기 가젯 서브 회로를 실행하는 것은,
큐비트들(q1 및 q2)에 제1 CZ 게이트를 적용하는 제1 레이어를 실행하는 단계 - 상기 CZ 게이트는 제어된 Z 게이트임 -;
큐비트들(q1 및 q(N/2+1))에 상기 BS(θ) 게이트를 적용하는 제2 레이어를 실행하는 단계; 및
큐비트들(q1 및 q2)에 제2 CZ 게이트를 적용하는 제3 레이어를 실행하는 단계를 포함하는, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
The method of claim 1, wherein executing the gadget sub-circuit comprises:
executing the first layer applying a first CZ gate to the qubits (q 1 and q 2 ), where the CZ gate is a controlled Z gate;
executing a second layer applying the BS(θ) gate to qubits (q 1 and q (N/2+1) ); and
A non-transitory computer-readable storage medium comprising executing a third layer applying a second CZ gate to qubits (q 1 and q 2 ).
제1항에 있어서, 상기 BS(θ) 게이트의 공액은 BS(-θ)인, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.2. The non-transitory computer-readable storage medium of claim 1, wherein the conjugate of the BS(θ) gate is BS(-θ). 제1항에 있어서, 상기 BS(θ) 게이트는 형태:
BS(θ) = [[1, 0, 0, 0], [0, cos(θ), sin(θ), 0], [0, -sin(θ), cos(θ), 0], [0, 0, 0, 1]]을 갖는, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
2. The method of claim 1, wherein the BS(θ) gate has the form:
BS(θ) = [[1, 0, 0, 0], [0, cos(θ), sin(θ), 0], [0, -sin(θ), cos(θ), 0], [ 0, 0, 0, 1]].
적어도 N개의 큐비트(qn)를 포함하는 양자 컴퓨터에 의해서 양자 회로를 실행하기 위한 방법으로서,
N/2개의 큐비트(q1-qN/2)에 적용되는 양자 게이트들을 포함하는 제1 서브 회로를, 상기 양자 컴퓨터에 의해서, 실행하는 단계 - 상기 제1 서브 회로의 실행 이후에, 큐비트(q2)의 값은 큐비트들(q2-qN/2)의 패리티(parity)를 나타냄 -;
상기 제1 서브 회로와 동시에 제2 서브 회로를, 상기 양자 컴퓨터에 의해서, 실행하는 단계 - 상기 제2 서브 회로는 N/2개의 큐비트(q(N/2+1)-qN)에 적용되는 양자 게이트들을 포함함 -; 및
상기 제1 서브 회로 및 상기 제2 서브 회로 이후에 가젯 회로를, 상기 양자 컴퓨터에 의해서, 실행하는 단계 - 상기 가젯 회로는 큐비트들(q1, q2, 및 q(N/2+1))에 적용되는 양자 게이트들을 포함하고, 상기 가젯 회로의 상기 양자 게이트들 중 하나는 BS(θ) 게이트이고, 상기 BS(θ) 게이트는 단일 매개변수화된 2-큐비트 양자 게이트임 -를 포함하고,
큐비트(q2)의 값이 0이면, BS(θ) 게이트는 큐비트들(q1 및 q(N/2+1))에 적용되고, 상기 BS(θ) 게이트는 단일 매개변수화된 2-큐비트 게이트이고,
큐비트(q2)의 값이 1이면, 상기 BS(θ) 게이트의 공액이 큐비트들(q1 및 q(N/2+1))에 적용되는, 방법.
A method for executing a quantum circuit by a quantum computer comprising at least N qubits (q n ), comprising:
executing, by the quantum computer, a first sub-circuit comprising quantum gates applied to N/2 qubits (q 1 -q N/2 ) - after execution of the first sub-circuit, a queue The value of the bit (q 2 ) represents the parity of the qubits (q 2 -q N/2 ) -;
Executing, by the quantum computer, a second sub-circuit simultaneously with the first sub-circuit, wherein the second sub-circuit is applied to N/2 qubits (q (N/2+1) -q N ). Contains quantum gates that are -; and
executing, by the quantum computer, a gadget circuit after the first sub-circuit and the second sub-circuit, wherein the gadget circuit includes qubits (q 1 , q 2 , and q (N/2+1) ), wherein one of the quantum gates of the gadget circuit is a BS(θ) gate, and the BS(θ) gate is a single parameterized two-qubit quantum gate. ,
If the value of the qubit (q 2 ) is 0, then the BS(θ) gate is applied to the qubits (q 1 and q (N/2+1) ), and the BS(θ) gate is a single parameterized 2 -Qubit gate,
If the value of the qubit (q 2 ) is 1, then the conjugate of the BS(θ) gate is applied to the qubits (q 1 and q (N/2+1) ).
제11항에 있어서, 상기 제1 서브 회로를 실행하는 것은,
N/4개의 큐비트(q1-qN/4)에 적용되는 양자 게이트들을 포함하는 제3 서브 회로를 실행하는 단계 - 상기 제3 서브 회로의 실행 이후에, 큐비트(q2)의 값은 큐비트들(q2-qN/4)의 패리티를 나타냄 -;
상기 제3 서브 회로와 동시에 제4 서브 회로를 실행하는 단계 및 N/4개의 큐비트(q(N/4+1)-qN/2)에 적용되는 양자 게이트들을 포함하는 단계; 및
상기 제3 서브 회로 및 상기 제4 서브 회로 이후에 제2 가젯 회로를 실행하는 단계 - 상기 제2 가젯 회로는 큐비트들(q1, q2, 및 q(N/4+1))에 적용되는 양자 게이트들을 포함하고, 상기 제2 가젯 회로의 상기 양자 게이트들 중 하나는 제2 BS(θ) 게이트임 -를 포함하고,
큐비트(q2)의 값이 0이면, 상기 제2 BS(θ) 게이트가 큐비트들(q1 및 q(N/4+1))에 적용되고,
큐비트(q2)의 값이 1이면, 상기 제2 BS(θ) 게이트의 공액이 큐비트들(q1 및 q(N/4+1))에 적용되는, 방법.
12. The method of claim 11, wherein executing the first sub-circuit comprises:
executing a third sub-circuit comprising quantum gates applied to N/4 qubits (q 1 -q N/4 ) - after execution of the third sub-circuit, the value of the qubit (q 2 ) represents the parity of qubits (q 2 -q N/4 ) -;
executing a fourth sub-circuit simultaneously with the third sub-circuit and including quantum gates applied to N/4 qubits (q (N/4+1) -q N/2 ); and
executing a second gadget circuit after the third sub-circuit and the fourth sub-circuit, wherein the second gadget circuit applies to qubits (q 1 , q 2 , and q (N/4+1)) wherein one of the quantum gates of the second gadget circuit is a second BS(θ) gate,
If the value of the qubit (q 2 ) is 0, the second BS(θ) gate is applied to the qubits (q 1 and q (N/4+1) ),
If the value of the qubit (q 2 ) is 1, then the conjugate of the second BS(θ) gate is applied to the qubits (q 1 and q (N/4+1)) .
제11항에 있어서, 상기 가젯 회로 이후에 큐비트(q1)에 적용되는 X 게이트를 실행하는 단계를 더 포함하는 방법.12. The method of claim 11, further comprising executing an X gate applied to a qubit (q 1 ) after the gadget circuit. 제13항에 있어서, 상기 방법은
상기 X 게이트 이후에 제2 가젯 회로를 실행하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 가젯 회로는 큐비트들(q1, q2, 및 q(N/2+1))에 적용되는 양자 게이트들을 포함하고, 상기 제2 가젯 회로의 상기 양자 게이트들 중 하나는 제2 BS(θ) 게이트이고,
큐비트(q2)의 값이 0이면, 상기 BS(θ) 게이트의 공액이 큐비트들(q1 및 q(N/2+1))에 적용되고,
큐비트(q2)의 값이 1이면, 상기 BS(θ) 게이트가 큐비트들(q1 및 q(N/2+1))에 적용되는, 방법.
The method of claim 13, wherein the method
Further comprising executing a second gadget circuit after the wherein one of the quantum gates of the second gadget circuit is a second BS(θ) gate,
If the value of the qubit (q 2 ) is 0, the conjugate of the BS(θ) gate is applied to the qubits (q 1 and q (N/2+1) ),
If the value of qubit (q 2 ) is 1, then the BS(θ) gate is applied to qubits (q 1 and q (N/2+1) ).
제14항에 있어서, 상기 방법은
상기 제2 가젯 회로 이후에 제3 서브 회로를 실행하는 단계를 더 포함하고, 상기 제3 서브 회로는 N/2개의 큐비트(q1-qN/2)에 적용되는 양자 게이트들을 포함하고, 상기 제3 서브 회로의 상기 양자 게이트들은, 상기 제3 서브 회로의 상기 양자 게이트들이 역순으로 배열되고 상기 BS(θ) 게이트가 공액화된다는 것을 제외하고 상기 제1 서브 회로의 상기 양자 게이트들과 일치하는, 방법.
The method of claim 14, wherein the method
further comprising executing a third sub-circuit after the second gadget circuit, wherein the third sub-circuit includes quantum gates applied to N/2 qubits (q 1 -q N/2 ), The quantum gates of the third sub-circuit are identical to the quantum gates of the first sub-circuit except that the quantum gates of the third sub-circuit are arranged in reverse order and the BS(θ) gate is conjugated. How to.
제15항에 있어서, 상기 방법은
상기 제3 서브 회로와 동시에 제4 서브 회로를 실행하는 단계를 더 포함하고, 상기 제4 서브 회로는 N/2개의 큐비트(q(N/2+1)-qN)에 적용되는 양자 게이트들을 포함하고, 상기 제4 서브 회로의 상기 양자 게이트들은, 상기 제4 서브 회로의 상기 양자 게이트들이 역순으로 배열되고 상기 BS(θ) 게이트들이 공액화된다는 것을 제외하고 상기 제2 서브 회로의 상기 양자 게이트들과 일치하는, 방법.
The method of claim 15, wherein the method
Further comprising executing a fourth sub-circuit simultaneously with the third sub-circuit, wherein the fourth sub-circuit is a quantum gate applied to N/2 qubits (q (N/2+1) -q N ). wherein the quantum gates of the fourth sub-circuit are the quantum gates of the second sub-circuit except that the quantum gates of the fourth sub-circuit are arranged in reverse order and the BS(θ) gates are conjugated. Method, which matches the gates.
제11항에 있어서, 상기 제1 서브 회로를 실행하는 것은,
큐비트들(q1 및 q2)에 제2 BS(θ) 게이트를 적용하고 큐비트들(q3 및 q4)에 제3 BS(θ) 게이트를 적용하는 제1 레이어(layer)를 실행하는 단계;
큐비트들(q1 및 q2)에 제1 CZ 게이트를 적용하는 제2 레이어를 실행하는 단계 - 상기 CZ 게이트는 제어된 Z 게이트임 -;
큐비트들(q1 및 q3)에 제4 BS(θ) 게이트를 적용하는 제3 레이어를 실행하는 단계;
큐비트들(q1 및 q2)에 제2 CZ 게이트를 적용하고 큐비트들(q3 및 q4)에 제1 CX 게이트를 적용하는 제4 레이어를 실행하는 단계 - 상기 CX 게이트는 제어된 X 게이트임 -; 및
큐비트들(q2 및 q3)에 제2 CX 게이트를 적용하는 제5 레이어를 실행하는 단계를 포함하는, 방법.
12. The method of claim 11, wherein executing the first sub-circuit comprises:
Executing a first layer applying a second BS(θ) gate to the qubits (q 1 and q 2 ) and a third BS(θ) gate to the qubits (q 3 and q 4 ) steps;
executing a second layer applying a first CZ gate to the qubits (q 1 and q 2 ), where the CZ gate is a controlled Z gate;
executing a third layer applying a fourth BS(θ) gate to qubits (q 1 and q 3 );
Executing a fourth layer applying a second CZ gate to qubits (q 1 and q 2 ) and a first CX gate to qubits (q 3 and q 4 ), wherein the CX gate is controlled X gate -; and
A method comprising executing a fifth layer applying a second CX gate to qubits (q 2 and q 3 ).
제11항에 있어서, 상기 가젯 서브 회로를 실행하는 것은,
큐비트들(q1 및 q2)에 제1 CZ 게이트를 적용하는 제1 레이어를 실행하는 단계 - 상기 CZ 게이트는 제어된 Z 게이트임 -;
큐비트들(q1 및 q(N/2+1))에 상기 BS(θ) 게이트를 적용하는 제2 레이어를 실행하는 단계; 및
큐비트들(q1 및 q2)에 제2 CZ 게이트를 적용하는 제3 레이어를 실행하는 단계를 포함하는, 방법.
12. The method of claim 11, wherein executing the gadget sub-circuit comprises:
executing the first layer applying a first CZ gate to the qubits (q 1 and q 2 ), where the CZ gate is a controlled Z gate;
executing a second layer applying the BS(θ) gate to qubits (q 1 and q (N/2+1) ); and
A method comprising executing a third layer applying a second CZ gate to qubits (q 1 and q 2 ).
제11항에 있어서, 상기 BS(θ) 게이트의 공액은 BS(-θ)인, 방법.12. The method of claim 11, wherein the conjugate of the BS(θ) gate is BS(-θ). 양자 컴퓨터에 의한 실행을 위한 양자 회로로서,
N개의 큐비트(qn) - 여기서 N=2K 및 K≥2 인 경우 -; 및
K개의 재귀적 회로(recursive circuit) 레벨 - k=1 내지 K임 -을 포함하고,
각각의 회로 레벨 k는 (N/2k)개의 레벨-k 회로를 포함하고, 각각의 레벨-k 회로는 상기 큐비트들(qn) 중 2k개에 적용되는 하나 이상의 양자 게이트를 포함하고, 각각의 레벨-k 회로에 대한 상기 2k개의 큐비트는 해당 레벨-k 회로에 대한 제1 큐비트와 제2 큐비트를 포함하고,
각각의 레벨-1 회로는 상기 큐비트들(qn) 중 두 개에 적용되는 BS 게이트를 포함하고, 상기 두 개의 큐비트 중 하나는 상기 레벨-1 회로의 상기 제1 큐비트이고 상기 두 개 큐비트 중 다른 하나는 상기 레벨-1 회로의 상기 제2 큐비트이고,
k≥2의 경우 각각의 레벨-k 회로는,
상기 레벨-(k-1) 회로들 중 하나를 제1 서브 회로로서, 그리고 상기 레벨-(k-1) 회로들 중 다른 하나를 제2 서브 회로로서 포함하고,
BS 게이트를 포함하는 가젯 회로를 포함하고,
상기 제1 서브 회로의 상기 제2 큐비트의 값이 0이면, 상기 BS 게이트가 상기 제1 서브 회로의 상기 제1 큐비트 및 상기 제2 서브 회로의 상기 제1 큐비트에 적용되고,
상기 제1 서브 회로의 상기 제2 큐비트의 값이 1이면, 상기 BS 게이트의 공액이 상기 제1 서브 회로의 상기 제1 큐비트 및 상기 제2 서브 회로의 상기 제1 큐비트에 적용되는, 양자 회로.
A quantum circuit for execution by a quantum computer, comprising:
N qubits (q n ) - where N=2 K and K≥2 -; and
Contains K recursive circuit levels, where k=1 to K,
Each circuit level k includes (N/2 k ) level-k circuits, and each level-k circuit includes one or more quantum gates applied to 2 k of the qubits (q n ), , the 2 k qubits for each level-k circuit include the first qubit and the second qubit for that level-k circuit,
Each level-1 circuit includes a BS gate applied to two of the qubits (q n ), where one of the two qubits is the first qubit of the level-1 circuit and the two cubits Another one of the bits is the second qubit of the level-1 circuit,
For k≥2, each level-k circuit is:
comprising one of said level-(k-1) circuits as a first sub-circuit and another one of said level-(k-1) circuits as a second sub-circuit;
A gadget circuit including a BS gate,
If the value of the second qubit of the first subcircuit is 0, the BS gate is applied to the first qubit of the first subcircuit and the first qubit of the second subcircuit,
If the value of the second qubit of the first subcircuit is 1, then the conjugate of the BS gate is applied to the first qubit of the first subcircuit and the first qubit of the second subcircuit, Quantum circuit.
양자 컴퓨터에 의해서 양자 회로를 실행하기 위한 저장된 명령어를 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체로서, 상기 양자 컴퓨터는 적어도 N 개의 큐비트를 포함하고, 상기 저장된 명령어는, 상기 양자 컴퓨터에 의해서 실행될 때, 상기 양자 컴퓨터로 하여금 작동들을 수행하게 하며, 상기 작동들은,
N-1개의 BS 게이트를 N개의 큐비트에 적용하는 한 세트의 N-1개의 레이어를 실행하는 단계 - 각각의 BS 게이트는 단일의 매개변수화된 2-큐비트 게이트이고, 각각의 레이어는 BS 게이트를 두 개의 큐비트에 적용하고 각각의 후속 레이어는 해당 레이어의 상기 두 개의 큐비트 중 하나와 새로운 큐비트에 BS 게이트를 적용함 -; 및
상기 한 세트의 N-1개의 레이어 이후에 추가적인 레이어를 실행하는 단계 - 상기 레이어는 상기 큐비트들 중 하나에 X 게이트를 적용함 -를 포함하는, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
1. A non-transitory computer-readable storage medium containing stored instructions for executing a quantum circuit by a quantum computer, the quantum computer comprising at least N qubits, the stored instructions, when executed by the quantum computer, causing the quantum computer to perform operations, the operations comprising:
Executing a set of N-1 layers applying N-1 BS gates to N qubits - each BS gate is a single parameterized 2-qubit gate, and each layer is a BS gate to two qubits and each subsequent layer applies a BS gate to one of said two qubits and a new qubit in that layer -; and
executing an additional layer after the set of N-1 layers, wherein the layer applies an X gate to one of the qubits.
제21항에 있어서, 각각의 후속 레이어의 상기 새로운 큐비트는 상기 이전 레이어들이 BS 게이트를 적용하지 않은 큐비트인, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.22. The non-transitory computer-readable storage medium of claim 21, wherein the new qubit of each subsequent layer is a qubit to which the previous layers did not apply a BS gate. 제21항에 있어서, 상기 X 게이트는 상기 N-1번째 레이어의 새로운 큐비트에 적용되는, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.22. The non-transitory computer-readable storage medium of claim 21, wherein the X gate is applied to a new qubit in the N-1th layer. 제21항에 있어서, 상기 작동들은,
상기 추가적인 레이어 이후에 제2 세트의 N-1개의 레이어를 실행하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 세트의 N-1개의 레이어는 N-1개의 BS 게이트를 상기 N개의 큐비트에 적용하고, 각각의 레이어는 BS 게이트를 두 개의 큐비트에 적용하고 각각의 후속 레이어는 해당 레이어의 상기 두 개의 큐비트 중 하나와 새로운 큐비트에 BS 게이트를 적용하는, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
22. The method of claim 21, wherein the operations are:
executing a second set of N-1 layers after the additional layer, wherein the second set of N-1 layers apply N-1 BS gates to the N qubits, A non-transitory computer-readable storage medium, wherein each layer applies a BS gate to two qubits and each subsequent layer applies a BS gate to one of the two qubits in that layer and a new qubit.
제24항에 있어서, 상기 제2 세트의 N-1개의 레이어의 상기 BS 게이트들은 상기 한 세트의 N-1개의 레이어의 상기 BS 게이트들에 대응하는 공액 게이트들인, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.25. The non-transitory computer-readable storage medium of claim 24, wherein the BS gates of the second set of N-1 layers are conjugate gates corresponding to the BS gates of the one set of N-1 layers. 제21항에 있어서, N은 2의 거듭제곱인, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.22. The non-transitory computer-readable storage medium of claim 21, wherein N is a power of 2. 제21항에 있어서, 각각의 BS 게이트는 형태:
BS(θ) = [[1, 0, 0, 0], [0, cos(θ), sin(θ), 0], [0, -sin(θ), cos(θ), 0], [0, 0, 0, 1]]을 갖는, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
22. The method of claim 21, wherein each BS gate has the form:
BS(θ) = [[1, 0, 0, 0], [0, cos(θ), sin(θ), 0], [0, -sin(θ), cos(θ), 0], [ 0, 0, 0, 1]].
적어도 N개의 큐비트를 포함하는 양자 컴퓨터에 의해서 양자 회로를 실행하기 위한 방법으로서,
N-1개의 BS 게이트를 N개의 큐비트에 적용하는 한 세트의 N-1개의 레이어를 실행하는 단계 - 각각의 BS 게이트는 단일의 매개변수화된 2-큐비트 게이트이고, 각각의 레이어는 BS 게이트를 두 개의 큐비트에 적용하고 각각의 후속 레이어는 해당 레이어의 상기 두 개의 큐비트 중 하나와 새로운 큐비트에 BS 게이트를 적용함 -; 및
상기 한 세트의 N-1개의 레이어 이후에 추가적인 레이어를 실행하는 단계 - 상기 레이어는 상기 큐비트들 중 하나에 X 게이트를 적용함 -를 포함하는, 방법.
A method for executing a quantum circuit by a quantum computer comprising at least N qubits, comprising:
Executing a set of N-1 layers applying N-1 BS gates to N qubits - each BS gate is a single parameterized 2-qubit gate, and each layer is a BS gate to two qubits and each subsequent layer applies a BS gate to one of said two qubits and a new qubit in that layer -; and
Executing an additional layer after the set of N-1 layers, wherein the layer applies an X gate to one of the qubits.
제28항에 있어서, 각각의 후속 레이어의 상기 새로운 큐비트는 상기 이전 레이어들이 BS 게이트를 적용하지 않은 큐비트인, 방법.29. The method of claim 28, wherein the new qubit of each subsequent layer is a qubit to which the previous layers did not apply a BS gate. 제28항에 있어서, 상기 X 게이트는 상기 N-1번째 레이어의 새로운 큐비트에 적용되는, 방법.29. The method of claim 28, wherein the X gate is applied to a new qubit in the N-1th layer. 제28항에 있어서, 상기 방법은
상기 추가적인 레이어 이후에 제2 세트의 N-1개의 레이어를 실행하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 세트의 N-1개의 레이어는 N-1개의 BS 게이트를 상기 N개의 큐비트에 적용하고, 각각의 레이어는 BS 게이트를 두 개의 큐비트에 적용하고 각각의 후속 레이어는 해당 레이어의 상기 두 개의 큐비트 중 하나와 새로운 큐비트에 BS 게이트를 적용하는, 방법.
The method of claim 28, wherein the method
executing a second set of N-1 layers after the additional layer, wherein the second set of N-1 layers apply N-1 BS gates to the N qubits, Each layer applies a BS gate to two qubits and each subsequent layer applies a BS gate to one of the two qubits of that layer and a new qubit.
제31항에 있어서, 상기 제2 세트의 N-1개의 레이어의 상기 BS 게이트들은 상기 한 세트의 N-1개의 레이어의 상기 BS 게이트들에 대응하는 공액 게이트들인, 방법.32. The method of claim 31, wherein the BS gates of the second set of N-1 layers are conjugate gates corresponding to the BS gates of the one set of N-1 layers. 제28항에 있어서, N은 2의 거듭제곱인, 방법.29. The method of claim 28, wherein N is a power of 2. 제28항에 있어서, 각각의 BS 게이트는 형태:
BS(θ) = [[1, 0, 0, 0], [0, cos(θ), sin(θ), 0], [0, -sin(θ), cos(θ), 0], [0, 0, 0, 1]]을 갖는, 방법.
29. The method of claim 28, wherein each BS gate has the form:
BS(θ) = [[1, 0, 0, 0], [0, cos(θ), sin(θ), 0], [0, -sin(θ), cos(θ), 0], [ 0, 0, 0, 1]], method.
적어도 N개의 큐비트를 포함하는 양자 컴퓨터에 의한 실행을 위한 양자 회로로서,
N-1개의 BS 게이트를 N개의 큐비트(qn)에 적용하는 한 세트의 N-1개의 레이어 - 각각의 BS 게이트는 단일의 매개변수화된 2-큐비트 게이트이고, 각각의 레이어는 BS 게이트를 두 개의 큐비트에 적용하고 각각의 후속 레이어는 상기 두 개의 큐비트 중 하나와 새로운 큐비트에 BS 게이트를 적용함 -; 및
상기 한 세트의 N-1개의 레이어 이후의 추가적인 레이어 - 상기 레이어는 상기 큐비트들 중 하나에 X 게이트를 적용함 -를 포함하는, 양자 회로.
A quantum circuit for execution by a quantum computer comprising at least N qubits, comprising:
A set of N-1 layers applying N-1 BS gates to N qubits (q n ) - each BS gate is a single parameterized 2-qubit gate, and each layer is a BS gate to two qubits and each subsequent layer applies a BS gate to one of the two qubits and a new qubit -; and
A quantum circuit, comprising an additional layer after the set of N-1 layers, wherein the layer applies an X gate to one of the qubits.
제35항에 있어서, 각각의 후속 레이어의 상기 새로운 큐비트는 상기 이전 레이어들이 BS 게이트를 적용하지 않은 큐비트인, 양자 회로.36. The quantum circuit of claim 35, wherein the new qubit of each subsequent layer is a qubit to which the previous layers did not apply a BS gate. 제35항에 있어서, 상기 X 게이트는 상기 N-1번째 레이어의 새로운 큐비트에 적용되는, 양자 회로.36. The quantum circuit of claim 35, wherein the X gate is applied to a new qubit in the N-1th layer. 제35항에 있어서, 상기 양자 회로는
상기 추가적인 레이어 이후에 제2 세트의 N-1개의 레이어를 더 포함하고, 상기 제2 세트의 N-1개의 레이어는 N-1개의 BS 게이트를 상기 N개의 큐비트에 적용하고, 각각의 레이어는 BS 게이트를 두 개의 큐비트에 적용하고 각각의 후속 레이어는 상기 두 개의 큐비트 중 하나와 새로운 큐비트에 BS 게이트를 적용하는, 양자 회로.
36. The method of claim 35, wherein the quantum circuit is
After the additional layer, it further includes a second set of N-1 layers, wherein the N-1 layers of the second set apply N-1 BS gates to the N qubits, and each layer has A quantum circuit that applies a BS gate to two qubits and each subsequent layer applies a BS gate to one of the two qubits and a new qubit.
제38항에 있어서, 상기 제2 세트의 N-1개의 레이어의 상기 BS 게이트들은 상기 한 세트의 N-1개의 레이어의 상기 BS 게이트들에 대응하는 공액 게이트들인, 양자 회로.39. The quantum circuit of claim 38, wherein the BS gates of the second set of N-1 layers are conjugate gates corresponding to the BS gates of the one set of N-1 layers. 제35항에 있어서, N은 2의 거듭제곱인, 양자 회로.36. The quantum circuit of claim 35, wherein N is a power of 2.
KR1020237041082A 2021-04-29 2021-10-05 Methods for efficient implementation of the unitary operators of Clifford's algebra as quantum circuits and their application to linear algebra and machine learning KR20240001245A (en)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/244,362 2021-04-29
US17/244,362 US11816538B2 (en) 2021-04-29 2021-04-29 Methods for efficient implementation of unitary operators in the Clifford algebra as quantum circuits and applications to linear algebra and machine learning
US17/244,840 US11922272B2 (en) 2021-04-29 2021-04-29 Methods for efficient implementation of unitary operators in the Clifford algebra as quantum circuits and applications to linear algebra and machine learning
US17/244,840 2021-04-29
PCT/US2021/053653 WO2022231650A1 (en) 2021-04-29 2021-10-05 Methods for efficient implementation of unitary operators in the clifford algebra as quantum circuits

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240001245A true KR20240001245A (en) 2024-01-03

Family

ID=83848739

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237041082A KR20240001245A (en) 2021-04-29 2021-10-05 Methods for efficient implementation of the unitary operators of Clifford's algebra as quantum circuits and their application to linear algebra and machine learning

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP4320561A1 (en)
JP (1) JP2024515861A (en)
KR (1) KR20240001245A (en)
WO (1) WO2022231650A1 (en)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6518786B2 (en) * 2001-06-15 2003-02-11 Trw Inc. Combinational logic using asynchronous single-flux quantum gates
US9514415B2 (en) * 2013-03-15 2016-12-06 Microsoft Technology Licensing, Llc Method and system for decomposing single-qubit quantum circuits into a discrete basis
US11113621B2 (en) * 2018-01-08 2021-09-07 Massachusetts Institute Of Technology System and technique for loading classical data into a quantum computer
EP4310737A3 (en) * 2018-07-06 2024-05-01 Google LLC Preparing superpositions of computational basis states on a quantum computer
US11023638B2 (en) * 2019-04-05 2021-06-01 QC Ware Corp. Method for reducing cost and increasing accuracy of variational quantum circuit optimization

Also Published As

Publication number Publication date
JP2024515861A (en) 2024-04-10
EP4320561A1 (en) 2024-02-14
WO2022231650A1 (en) 2022-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20240152729A1 (en) Convolutional neural network (cnn) processing method and apparatus performing high-speed and precision convolution operations
US11468357B2 (en) Hybrid quantum-classical computer for packing bits into qubits for quantum optimization algorithms
Tantivasadakarn et al. Hierarchy of topological order from finite-depth unitaries, measurement, and feedforward
EP2979230B1 (en) Fast quantum and classical phase estimation
Aïmeur et al. Quantum clustering algorithms
US20210374550A1 (en) Quantum Computer with Exact Compression of Quantum States
EP3221822B1 (en) Method for efficient implementation of diagonal operators over clifford+t basis
US11036830B2 (en) Systems and methods for performing counting and summing using a quantum computer
CN115244549A (en) Method and apparatus for resource-optimized fermi local simulation on quantum computers for quantum chemistry
Kalachev et al. Multi-tensor contraction for XEB verification of quantum circuits
US11966707B2 (en) Quantum enhanced word embedding for natural language processing
US20220284337A1 (en) Classically-boosted variational quantum eigensolver
Zhou Review on quantum walk algorithm
Tiepelt et al. Quantum LLL with an application to mersenne number cryptosystems
KR20240001245A (en) Methods for efficient implementation of the unitary operators of Clifford&#39;s algebra as quantum circuits and their application to linear algebra and machine learning
Koishekenov et al. An exploration of conditioning methods in graph neural networks
US11922272B2 (en) Methods for efficient implementation of unitary operators in the Clifford algebra as quantum circuits and applications to linear algebra and machine learning
Fushimi et al. Accelerating Greedy K-Medoids Clustering Algorithm with Distance by Pivot Generation
US11816538B2 (en) Methods for efficient implementation of unitary operators in the Clifford algebra as quantum circuits and applications to linear algebra and machine learning
Florio et al. Quantum implementation of elementary arithmetic operations
Liu et al. Quantum-Train: Rethinking Hybrid Quantum-Classical Machine Learning in the Model Compression Perspective
Baruch et al. Applying compression to hierarchical clustering
Nallaperuma et al. Parameterized complexity analysis and more effective construction methods for ACO algorithms and the euclidean traveling salesperson problem
Çelik et al. Analysis of Grover’s Quantum Search Algorithm on a Classical Computer
Żołnierczyk et al. Searching B-Smooth Numbers Using Quantum Annealing: Applications to Factorization and Discrete Logarithm Problem