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Simulating Large Quantum Circuits on a Small Quantum Computer

量子计算机 安萨茨 量子位元 量子算法 量子电路 量子 量子网络 计算机科学 物理 量子纠错 量子信息 量子力学 单向量子计算机 拓扑(电路) 数学 组合数学
作者
Tianyi Peng,Aram W. Harrow,Māris Ozols,Xiaodi Wu
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:125 (15) 被引量:150
标识
DOI:10.1103/physrevlett.125.150504
摘要

Limited quantum memory is one of the most important constraints for near-term quantum devices. Understanding whether a small quantum computer can simulate a larger quantum system, or execute an algorithm requiring more qubits than available, is both of theoretical and practical importance. In this Letter, we introduce cluster parameters $K$ and $d$ of a quantum circuit. The tensor network of such a circuit can be decomposed into clusters of size at most $d$ with at most $K$ qubits of inter-cluster quantum communication. We propose a cluster simulation scheme that can simulate any $(K,d)$-clustered quantum circuit on a $d$-qubit machine in time roughly $2^{O(K)}$, with further speedups possible when taking more fine-grained circuit structure into account. We show how our scheme can be used to simulate clustered quantum systems -- such as large molecules -- that can be partitioned into multiple significantly smaller clusters with weak interactions among them. By using a suitable clustered ansatz, we also experimentally demonstrate that a quantum variational eigensolver can still achieve the desired performance for estimating the energy of the BeH$_2$ molecule while running on a physical quantum device with half the number of required qubits.
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