Classical simulation and verification of quantum computation using matchgates and magic states

使用匹配门和魔法状态进行量子计算的经典模拟和验证

基本信息

  • 批准号:
    2746767
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Studentship
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2022 至 无数据
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Quantum computers allow one to explore computational regimes which are believed to be beyond the reach of current classical computing. Therefore, it is unlikely that universal quantum computers can be efficiently simulated by classical probabilistic algorithms. This is in part because the state-of-the-art classical simulators which rely on the power of modern supercomputers struggle to simulate any quantum system beyond 50 qubits. At the same time, certain quantum information processing tasks do not require computational universality. In some scenarios, there are provable benefits, such as an exponential reduction in communication resources for some distributed computing tasks (e.g. Raz 1999) and in quantum cryptography, the ability to communicate with unconditional security against eavesdropping. To realize quantum computation in a circuit model one has to pick a universal gate set. One of the most prominent gatesets which enables universal quantum computation is made of Clifford + T gates. Clifford gates are efficiently classically simulatable, however, when you add a special single-qubit T gate you regain the full power of quantum computation. In 2016, Bravyi et al. introduced a quantity called stabilizer rank. It helps reduce this exponential scaling by significantly decreasing the scaling of resources required to classically simulate quantum systems. The ability to classically simulate generic quantum computations, while unlikely to be possible for a large number of qubits, is of great importance in the noisy intermediate-term quantum computation (NISQ). Another very natural gateset which enables universal quantum computation is made of so-called Matchgates + Magic states. Matchgates are an especially multiflorous class of two-qubit nearest neighbour quantum gates, defined by a set of algebraic constraints. They occur for example in the theory of perfect matchings of graphs, non-interacting fermions, and one-dimensional spin chains. The goal of the project is to study the analogous notion to stabilizer rank for matchgates - the so-called Gaussian rank and study the computational complexity of approximating this quantity. Currently, nearly nothing is known about Gaussian rank and unlike its stabilizer counterpart, the decompositions of n copies of magic states in terms of Gaussian states for n>3 are not known. This problem presents a unique set of challenges suitable for a strong PhD student and would require a combination of techniques: from numerical exploration for a small number of qubits to proof-based techniques which rely on the unique structural properties of Gaussian states. Computing the exact Gaussian rank for a large number of copies of magic states has a number of important applications for the emerging small-to-medium scale quantum computers. First, it would enable one to verify quantum computations for a non-trivial number of qubits (20-300), which is likely to be the milestoneSecond, it would provide unique insights into the complexity of fermionic linear optics and its abilities to achieve universal quantum computations when supplemented with magic states. Thirdly, it would allow one to design novel quantum error-correcting codes as well as efficient classical decoders.
量子计算机允许人们探索被认为超出当前经典计算能力范围的计算机制。因此,不太可能用经典的概率算法来有效地模拟通用量子计算机。这在一定程度上是因为最先进的经典模拟器依赖于现代超级计算机的能力,难以模拟任何超过50量子比特的量子系统。同时,某些量子信息处理任务不需要计算普适性。在一些情况下,存在可证明的好处,例如用于某些分布式计算任务的通信资源的指数减少(例如,RAZ 1999),以及在量子密码学中,以无条件安全的方式进行通信以防止窃听的能力。要在电路模型中实现量子计算,必须选择一个通用的门集。实现普遍量子计算的最突出的门之一是由Clifford+T门组成。Clifford门是有效的经典模拟,然而,当你添加一个特殊的单量子比特T门时,你就重新获得了量子计算的全部力量。2016年,Bravyi等人。引入了一个称为稳定阶数的量。它通过显著减少经典模拟量子系统所需的资源比例来帮助减少这种指数级的比例。经典模拟一般量子计算的能力,虽然不太可能在大量的量子比特上实现,但在嘈杂的中期量子计算(NISQ)中是非常重要的。另一个能够实现普遍量子计算的非常自然的门是由所谓的匹配门+魔术态组成的。匹配门是一类特别多花的两量子比特最近邻量子门,由一组代数约束定义。例如,它们出现在图的完美匹配理论、非相互作用费米子和一维自旋链中。该项目的目标是研究与匹配门稳定器等级类似的概念-所谓的高斯等级,并研究近似这个量的计算复杂性。目前,关于高斯阶几乎一无所知,而且与它的稳定器不同的是,n>3的n个魔态副本关于高斯态的分解是未知的。这个问题提出了一组独特的挑战,适合于一个优秀的博士生,并将需要技术的组合:从对少量量子比特的数值探索到依赖于高斯态的独特结构属性的基于证明的技术。计算大量魔态副本的精确高斯阶对于新兴的中小型量子计算机有许多重要的应用。首先,它将使人们能够验证非平凡数量的量子比特(20-300)的量子计算,这很可能是里程碑。其次,它将提供对费米子线性光学的复杂性的独特见解,以及当补充魔术态时它实现通用量子计算的能力。第三,它将使人们能够设计出新的量子纠错码和高效的经典解码器。

项目成果

期刊论文数量(0)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

其他文献

吉治仁志 他: "トランスジェニックマウスによるTIMP-1の線維化促進機序"最新医学. 55. 1781-1787 (2000)
Hitoshi Yoshiji 等:“转基因小鼠中 TIMP-1 的促纤维化机制”现代医学 55. 1781-1787 (2000)。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
LiDAR Implementations for Autonomous Vehicle Applications
  • DOI:
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
生命分子工学・海洋生命工学研究室
生物分子工程/海洋生物技术实验室
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
吉治仁志 他: "イラスト医学&サイエンスシリーズ血管の分子医学"羊土社(渋谷正史編). 125 (2000)
Hitoshi Yoshiji 等人:“血管医学与科学系列分子医学图解”Yodosha(涉谷正志编辑)125(2000)。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
Effect of manidipine hydrochloride,a calcium antagonist,on isoproterenol-induced left ventricular hypertrophy: "Yoshiyama,M.,Takeuchi,K.,Kim,S.,Hanatani,A.,Omura,T.,Toda,I.,Akioka,K.,Teragaki,M.,Iwao,H.and Yoshikawa,J." Jpn Circ J. 62(1). 47-52 (1998)
钙拮抗剂盐酸马尼地平对异丙肾上腺素引起的左心室肥厚的影响:“Yoshiyama,M.,Takeuchi,K.,Kim,S.,Hanatani,A.,Omura,T.,Toda,I.,Akioka,
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:

的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('', 18)}}的其他基金

An implantable biosensor microsystem for real-time measurement of circulating biomarkers
用于实时测量循环生物标志物的植入式生物传感器微系统
  • 批准号:
    2901954
  • 财政年份:
    2028
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
Exploiting the polysaccharide breakdown capacity of the human gut microbiome to develop environmentally sustainable dishwashing solutions
利用人类肠道微生物群的多糖分解能力来开发环境可持续的洗碗解决方案
  • 批准号:
    2896097
  • 财政年份:
    2027
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
A Robot that Swims Through Granular Materials
可以在颗粒材料中游动的机器人
  • 批准号:
    2780268
  • 财政年份:
    2027
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
Likelihood and impact of severe space weather events on the resilience of nuclear power and safeguards monitoring.
严重空间天气事件对核电和保障监督的恢复力的可能性和影响。
  • 批准号:
    2908918
  • 财政年份:
    2027
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
Proton, alpha and gamma irradiation assisted stress corrosion cracking: understanding the fuel-stainless steel interface
质子、α 和 γ 辐照辅助应力腐蚀开裂:了解燃料-不锈钢界面
  • 批准号:
    2908693
  • 财政年份:
    2027
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
Field Assisted Sintering of Nuclear Fuel Simulants
核燃料模拟物的现场辅助烧结
  • 批准号:
    2908917
  • 财政年份:
    2027
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
Assessment of new fatigue capable titanium alloys for aerospace applications
评估用于航空航天应用的新型抗疲劳钛合金
  • 批准号:
    2879438
  • 财政年份:
    2027
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
Developing a 3D printed skin model using a Dextran - Collagen hydrogel to analyse the cellular and epigenetic effects of interleukin-17 inhibitors in
使用右旋糖酐-胶原蛋白水凝胶开发 3D 打印皮肤模型,以分析白细胞介素 17 抑制剂的细胞和表观遗传效应
  • 批准号:
    2890513
  • 财政年份:
    2027
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
CDT year 1 so TBC in Oct 2024
CDT 第 1 年,预计 2024 年 10 月
  • 批准号:
    2879865
  • 财政年份:
    2027
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
Understanding the interplay between the gut microbiome, behavior and urbanisation in wild birds
了解野生鸟类肠道微生物组、行为和城市化之间的相互作用
  • 批准号:
    2876993
  • 财政年份:
    2027
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship

相似国自然基金

Simulation and certification of the ground state of many-body systems on quantum simulators
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    40 万元
  • 项目类别:
基于WRF-Mosaic近似不同下垫面类型改变对区域能量和水分循环影响的集合模拟
  • 批准号:
    41775087
  • 批准年份:
    2017
  • 资助金额:
    68.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
嵌段共聚物多级自组装的多尺度模拟
  • 批准号:
    20974040
  • 批准年份:
    2009
  • 资助金额:
    33.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
微扰量子色动力学方法及在强子对撞机的应用和暗物质的研究
  • 批准号:
    10975004
  • 批准年份:
    2009
  • 资助金额:
    38.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
孔隙介质中化学渗流溶解面非稳定性的理论分析与数值模拟实验研究
  • 批准号:
    10872219
  • 批准年份:
    2008
  • 资助金额:
    35.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
Kinetic Monte Carlo 模拟薄膜生长机理的研究
  • 批准号:
    10574059
  • 批准年份:
    2005
  • 资助金额:
    12.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
变压吸附中真空脱附过程的传质传热规律研究
  • 批准号:
    20576028
  • 批准年份:
    2005
  • 资助金额:
    10.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似海外基金

ERI: Unraveling Multi-Phase Ink Shear-Thinning Flow Mechanism in Direct Ink Writing Process: Computational Fluid Dynamics Simulation and In-Situ Experimental Verification
ERI:揭示直接墨水书写过程中的多相墨水剪切稀化流动机制:计算流体动力学模拟和原位实验验证
  • 批准号:
    2347497
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Standard Grant
Transcutaneous Phrenic Nerve Stimulation for Treating Opioid Overdose
经皮膈神经刺激治疗阿片类药物过量
  • 批准号:
    10681111
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
Commercialization Readiness for Nerve Tape: a nerve repair coaptation aid
神经胶带的商业化准备:神经修复接合辅助工具
  • 批准号:
    10698977
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
FEA Simulation and Verification of Composite Pipeline End Fittings for Hydrogen and CCUS service
氢气和 CCUS 服务复合管道端部配件的 FEA 模拟和验证
  • 批准号:
    10076133
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Collaborative R&D
Real-time Volumetric Imaging for Motion Management and Dose Delivery Verification
用于运动管理和剂量输送验证的实时体积成像
  • 批准号:
    10659842
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
A ratcheting pediatric prosthetic finger using advanced rapid manufacturing technology
采用先进快速制造技术的棘轮儿童假肢手指
  • 批准号:
    10760098
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
3-dimensional prompt gamma imaging for online proton beam dose verification
用于在线质子束剂量验证的 3 维瞬发伽马成像
  • 批准号:
    10635210
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
Collaborative Research: FET: Medium: Engineering DNA and RNA computation through simulation, sequence design, and experimental verification
合作研究:FET:中:通过模拟、序列设计和实验验证进行 DNA 和 RNA 计算
  • 批准号:
    2211792
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Pre-Clinical Optimization of MeniscoFix, a Novel Total Meniscus Replacement Implant
MeniscoFix(一种新型全半月板置换植入物)的临床前优化
  • 批准号:
    10547466
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
Production and effectiveness verification of simulation teaching materials for obstetric emergency cases using VR technology
利用VR技术的产科急诊模拟教材制作及效果验证
  • 批准号:
    22K02857
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了