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具有与系统规模无关的非克利福德门数量的高效酉设计。

Efficient Unitary Designs with a System-Size Independent Number of Non-Clifford Gates.

作者信息

Haferkamp J, Montealegre-Mora F, Heinrich M, Eisert J, Gross D, Roth I

机构信息

Dahlem Center for Complex Quantum Systems, Freie Universität Berlin, Berlin, Germany.

Institute for Theoretical Physics, University of Cologne, Cologne, Germany.

出版信息

Commun Math Phys. 2023;397(3):995-1041. doi: 10.1007/s00220-022-04507-6. Epub 2022 Nov 12.

DOI:10.1007/s00220-022-04507-6
PMID:36743125
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9886645/
Abstract

Many quantum information protocols require the implementation of random unitaries. Because it takes exponential resources to produce Haar-random unitaries drawn from the full -qubit group, one often resorts to -designs. Unitary -designs mimic the Haar-measure up to -th moments. It is known that Clifford operations can implement at most 3-designs. In this work, we quantify the non-Clifford resources required to break this barrier. We find that it suffices to inject many non-Clifford gates into a polynomial-depth random Clifford circuit to obtain an -approximate -design. Strikingly, the number of non-Clifford gates required is independent of the system size - asymptotically, the density of non-Clifford gates is allowed to tend to zero. We also derive novel bounds on the convergence time of random Clifford circuits to the -th moment of the uniform distribution on the Clifford group. Our proofs exploit a recently developed variant of Schur-Weyl duality for the Clifford group, as well as bounds on restricted spectral gaps of averaging operators.

摘要

许多量子信息协议都需要实现随机酉矩阵。由于从全量子比特群中生成哈尔随机酉矩阵需要指数级资源,人们通常会采用t -设计。酉t -设计在t阶矩上模拟哈尔测度。已知克利福德操作最多能实现3 -设计。在这项工作中,我们量化了突破这一限制所需的非克利福德资源。我们发现,向多项式深度的随机克利福德电路中注入许多非克利福德门就足以获得一个近似t -设计。令人惊讶的是,所需的非克利福德门的数量与系统大小无关——渐近地,非克利福德门的密度可以趋于零。我们还推导出了随机克利福德电路收敛到克利福德群上均匀分布的t阶矩的收敛时间的新界限。我们的证明利用了最近为克利福德群开发的舒尔 - 外尔对偶性的一个变体,以及平均算子的受限谱隙的界限。

https://cdn.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/blobs/c4ba/9886645/9c4d5b6dc175/220_2022_4507_Fig1_HTML.jpg
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