Low-depth quantum state preparation
Creators
- 1. Peking University
- 2. City University of Hong Kong
- 3. Southern University of Science and Technology
Description
A crucial subroutine in quantum computing is to load the classical data of $N$ complex numbers into the amplitude of a superposed $n=\ensuremath{\lceil}{log}_{2}N\ensuremath{\rceil}$-qubit state. It has been proven that any algorithm universally implementing this subroutine would need at least $O(N)$ constant weight operations. However, the proof assumes that only $n$ qubits are used, whereas the circuit depth could be reduced by extending the space and allowing ancillary qubits. Here we investigate this space-time tradeoff in quantum state preparation with classical data. We propose quantum algorithms with $O({n}^{2})$ circuit depth to encode any $N$ complex numbers using only single- and two-qubit gates, and local measurements with ancillary qubits. Different variances of the algorithm are proposed with different space and runtime. In particular, we present a scheme with $O({N}^{2})$ ancillary qubits, $O({n}^{2})$ circuit depth, and $O({n}^{2})$ average runtime, which exponentially improves the conventional bound. While the algorithm requires more ancillary qubits, it consists of quantum circuit blocks that only simultaneously act on a constant number of qubits, and at most $O(n)$ qubits are entangled. We also prove a fundamental lower bound $\mathrm{\ensuremath{\Omega}}(n)$ for the minimum circuit depth and runtime with an arbitrary number of ancillary qubits, aligning with our scheme with $O({n}^{2})$. The algorithms are expected to have wide applications in both near-term and universal quantum computing.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
الروتين الفرعي الحاسم في الحوسبة الكمومية هو تحميل البيانات الكلاسيكية للأرقام المعقدة $N $ في سعة $n=\ ensuremath {\ lceil }{ log }_{ 2}N\ensuremath {\ rceil }$- qubit state. لقد ثبت أن أي خوارزمية تنفذ هذا الروتين الفرعي عالميًا ستحتاج إلى عمليات وزن ثابت بقيمة $O(N )$ على الأقل. ومع ذلك، يفترض الدليل أنه لا يتم استخدام سوى $n$ كيوبت، في حين يمكن تقليل عمق الدائرة عن طريق توسيع المساحة والسماح بالكيوبتات الإضافية. هنا نحقق في هذه المقايضة الزمانية المكانية في إعداد الحالة الكمومية بالبيانات الكلاسيكية. نقترح خوارزميات كمومية بعمق دائرة $O({n }^{ 2 })$ لترميز أي أرقام معقدة $N$ باستخدام بوابات أحادية وثنائية كيوبت فقط، وقياسات محلية باستخدام وحدات كيوبت إضافية. يتم اقتراح تباينات مختلفة للخوارزمية مع مساحة ووقت تشغيل مختلفين. على وجه الخصوص، نقدم مخططًا يحتوي على $O({N }^{ 2 })$ كيوبتات إضافية، و $O({n }^{ 2 })$ عمق الدائرة، و $O({n }^{ 2 })$ متوسط وقت التشغيل، مما يحسن بشكل كبير الحد التقليدي. في حين أن الخوارزمية تتطلب المزيد من الكيوبتات الإضافية، إلا أنها تتكون من كتل الدوائر الكمومية التي تعمل فقط في وقت واحد على عدد ثابت من الكيوبتات، وعلى الأكثر تكون الكيوبتات المتشابكة $O(n )$ متشابكة. نثبت أيضًا الحد الأدنى الأساسي $\mathrm {\ ensuremath {\ Omega}}(n )$ للحد الأدنى لعمق الدائرة ووقت التشغيل مع عدد عشوائي من الكيوبتات الإضافية، بما يتماشى مع مخططنا مع $O({n }^{ 2})$. من المتوقع أن يكون للخوارزميات تطبيقات واسعة في كل من الحوسبة الكمومية على المدى القريب والعالمي.Translated Description (English)
A crucial subroutine in quantum computing is to load the classical data of $N$ complex numbers into the amplitude of a superposed $n=\ ensuremath {\lceil}{log}_{2}N\ensuremath{\rceil}$-qubit state. It has been proven that any algorithm universally implementing this subroutine would need at least $O(N)$ constant weight operations. However, the proof assumes that only $n$ qubits are used, whereas the circuit depth could be reduced by extending the space and allowing ancillary qubits. Here we investigate this space-time tradeoff in quantum state preparation with classical data. We propose quantum algorithms with $O({n}^{2})$ circuit depth to encode any $N$ complex numbers using only single- and two-qubit gates, and local measurements with ancillary qubits. Different variances of the algorithm are proposed with different space and runtime. In particular, we present a scheme with $O({N}^{2})$ ancillary qubits, $O({n}^{2})$ circuit depth, and $O({n}^{2})$ average runtime, which exponentially improves the conventional bound. While the algorithm requires more ancillary qubits, it consists of quantum circuit blocks that only simultaneously act on a constant number of qubits, and at most $O(n)$ qubits are entangled. We also prove the fundamental lower bound $\mathrm{\ ensuremath {\Omega}}(n)$ for the minimum circuit depth and runtime with an arbitrary number of ancillary qubits, aligning with our scheme with $O({n}^{2})$. The algorithms are expected to have wide applications in both near-term and universal quantum computing.Translated Description (French)
Une sous-routine cruciale en informatique quantique consiste à charger les données classiques de $N$ nombres complexes dans l'amplitude d'un état $n=\ ensuremath {\lceil}{log}_{2}N\ensuremath{\rceil}$-qubit superposé. Il a été prouvé que tout algorithme mettant en œuvre universellement ce sous-programme nécessiterait au moins $O(N)$ opérations de poids constant. Cependant, la preuve suppose que seuls $n$ qubits sont utilisés, alors que la profondeur du circuit pourrait être réduite en étendant l'espace et en autorisant des qubits auxiliaires. Ici, nous étudions ce compromis espace-temps dans la préparation de l'état quantique avec des données classiques. Nous proposons des algorithmes quantiques avec une profondeur de circuit $O({n}^{2})$ pour coder tout nombre complexe $N$ en utilisant uniquement des portes à un et deux qubits, et des mesures locales avec des qubits auxiliaires. Différentes variances de l'algorithme sont proposées avec un espace et un temps d'exécution différents. En particulier, nous présentons un schéma avec $O({N}^{2})$ qubits auxiliaires, $O({n}^{2})$ profondeur de circuit et $O({n}^{2})$ durée d'exécution moyenne, ce qui améliore de manière exponentielle la borne conventionnelle. Bien que l'algorithme nécessite plus de qubits auxiliaires, il se compose de blocs de circuits quantiques qui n'agissent simultanément que sur un nombre constant de qubits, et au plus $O(n)$ qubits sont enchevêtrés. Nous prouvons également la borne inférieure fondamentale $ \mathrm{\ ensuremath {\Omega}}(n)$ pour la profondeur minimale du circuit et la durée d'exécution avec un nombre arbitraire de qubits auxiliaires, en nous alignant sur notre schéma avec $O({n}^{2})$ . Les algorithmes devraient avoir de larges applications dans l'informatique quantique à court terme et universelle.Translated Description (Spanish)
Una subrutina crucial en la computación cuántica es cargar los datos clásicos de $N$ números complejos en la amplitud de un estado $n=\ ensuremath {\lceil}{log}_{2}N\ensuremath{\rceil}$-qubit superpuesto. Se ha demostrado que cualquier algoritmo que implemente universalmente esta subrutina necesitaría al menos $O(N)$ operaciones de peso constante. Sin embargo, la prueba asume que solo se utilizan $n$ qubits, mientras que la profundidad del circuito podría reducirse ampliando el espacio y permitiendo qubits auxiliares. Aquí investigamos esta compensación espacio-temporal en la preparación del estado cuántico con datos clásicos. Proponemos algoritmos cuánticos con $O({n}^{2})$ de profundidad de circuito para codificar cualquier número complejo $N$ utilizando solo puertas de uno y dos qubits, y mediciones locales con qubits auxiliares. Se proponen diferentes variaciones del algoritmo con diferentes espacios y tiempos de ejecución. En particular, presentamos un esquema con $O({N}^{2})$ qubits auxiliares, $O({n}^{2})$ profundidad de circuito y $O({n}^{2})$ tiempo de ejecución promedio, lo que mejora exponencialmente el límite convencional. Si bien el algoritmo requiere más qubits auxiliares, consiste en bloques de circuitos cuánticos que solo actúan simultáneamente sobre un número constante de qubits, y como máximo $O(n)$ qubits están entrelazados. También probamos el límite inferior fundamental $\mathrm{\ ensuremath {\Omega}}(n)$ para la profundidad mínima del circuito y el tiempo de ejecución con un número arbitrario de qubits auxiliares, alineándose con nuestro esquema con $O({n}^{2})$. Se espera que los algoritmos tengan amplias aplicaciones tanto en computación cuántica a corto plazo como universal.Files
PhysRevResearch.3.043200.pdf
Files
(731.4 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:0e6877ef8c30ac766c48a3f52d28e4b2
|
731.4 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تحضير الحالة الكمومية منخفضة العمق
- Translated title (English)
- Low-depth quantum state preparation
- Translated title (French)
- Préparation de l'état quantique de faible profondeur
- Translated title (Spanish)
- Preparación del estado cuántico de baja profundidad
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4205916518
- DOI
- 10.1103/physrevresearch.3.043200
References
- https://openalex.org/W1492999010
- https://openalex.org/W1605974080
- https://openalex.org/W1981783889
- https://openalex.org/W1988369744
- https://openalex.org/W2040792108
- https://openalex.org/W2065516801
- https://openalex.org/W2072498431
- https://openalex.org/W2103956991
- https://openalex.org/W2144688890
- https://openalex.org/W2204682854
- https://openalex.org/W2415656260
- https://openalex.org/W2559394418
- https://openalex.org/W2560386163
- https://openalex.org/W2607911764
- https://openalex.org/W2764347725
- https://openalex.org/W2781738013
- https://openalex.org/W2792946961
- https://openalex.org/W2796293949
- https://openalex.org/W2798945316
- https://openalex.org/W2798967590
- https://openalex.org/W2804172638
- https://openalex.org/W2833647280
- https://openalex.org/W2905003072
- https://openalex.org/W2929853032
- https://openalex.org/W2951680627
- https://openalex.org/W2972228381
- https://openalex.org/W2980889789
- https://openalex.org/W3004965358
- https://openalex.org/W3008999957
- https://openalex.org/W3039469968
- https://openalex.org/W3047378565
- https://openalex.org/W3048944317
- https://openalex.org/W3101479050
- https://openalex.org/W3102320711
- https://openalex.org/W3103438630
- https://openalex.org/W3105870134
- https://openalex.org/W3110594610
- https://openalex.org/W3118429894
- https://openalex.org/W3128504623
- https://openalex.org/W3158434491
- https://openalex.org/W3158498981
- https://openalex.org/W3189250281
- https://openalex.org/W3189829096
- https://openalex.org/W4234903623