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하드웨어 연결성 제약이 있는 양자 장치에서 페르미온 시스템을 효율적으로 시뮬레이션하기 위한 Accordion 프레임워크를 제안합니다. 이 방식은 매핑, 합성, 라우팅을 공동 설계하여 게이트 수와 회로 깊이를 획기적으로 줄입니다.
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원문 바로가기양자 하드웨어에서 페르미온 시스템 (fermionic systems)을 시뮬레이션하려면 페르미온 해밀토니안 (fermionic Hamiltonians)을 실행 가능한 양자 회로 (quantum circuits)로 컴파일해야 합니다. 기존의 방식들은 각 컴파일 단계를 독립적으로 처리하며, 국소적인 목표를 가진 휴리스틱 (heuristics)을 적용합니다. 이는 게이트 수 (gate count)와 깊이 (depth)가 $O(N^4)$를 초과하여 스케일링되고, 대규모 인스턴스의 경우 컴파일 시간이 수 시간에 달하는 회로를 생성합니다. 우리는 페르미온-큐비트 매핑 (fermion-to-qubit mapping)을 회로 합성 (circuit synthesis) 및 하드웨어 라우팅 (hardware routing)과 함께 공동 설계하는 엔드 투 엔드 (end-to-end) 프레임워크인 Accordion을 제시합니다. Accordion은 Jordan-Wigner 매핑을 고정하는데, 이 매핑은 Pauli 가중치 (Pauli weight)가 더 높음에도 불구하고, 증명 가능한 효율적인 회로 생성을 가능하게 하는 구조적 규칙성을 가진 Pauli 연산자 (Pauli operators)를 생성합니다. 풀 랭크 (full-rank) 전방향 전자 구조 해밀토니안 (all-to-all electronic structure Hamiltonians)에 대해, 우리는 $\Theta(N^4)$의 2차 여기 항 (second excitation terms)에 의해 부과되는 정보 이론적 하한선과 일치하는 $O(N^4)$ 게이트 수와 회로 깊이를 증명합니다. 선형 (linear), IBM heavy-hex, 그리고 정사각형 그리드 (square-grid) 아키텍처에서 Accordion은 최상의 베이스라인 (baseline) 대비 게이트 수를 최대 79%까지, 회로 깊이를 최대 77%까지 줄입니다.