面向部分容错量子计算架构的 Trotter 时间演化编译

在学术和工业界，实现有限资源下的实际量子加速是一个关键挑战。为此，最近提出了一种称为“面向空间-时间效率的类比旋转量子计算架构（STAR 架构）”的部分容错量子计算架构。该架构专注于最小化资源要求，同时最大化非 Cliff 门的精度，这些门对于通用量子计算至关重要。然而，非确定性过程（如重复直至成功（RUS）协议和状态注入）会引入显著的计算开销。因此，优化逻辑电路以最小化此开销、使用高效容错操作是必需的。本文针对 STAR 架构，提出一种高效方法，用于模拟 2D Hubbard 模型哈密顿量的时间演化，这是该架构的一个有前景的应用。我们提出了两种技术：并行注入协议和自适应注入区域更新，以减少该架构特有的不必要时间开销。通过将这些技术与现有的 fSWAP 技术集成，我们开发了一个针对 2D Hubbard 模型的高效 Trotter 时间演化操作。我们的分析显示，相较于朴素串行编译，加速度超过 10 倍。这种优化后的编译使我们能够估计实现 2D Hubbard 模型量子相位估计所需的计算资源。对于物理误差率为 $p_{\rm phys} = 10^{-4}$ 的设备，我们估计大约需要 $6.5 \times 10^4$ 个物理量子比特，即可实现对 $8\times8$ Hubbard 模型的更快基态能量估计，相较于经典计算。