基于图的密度矩阵表示下量子计算模拟

随着晶体管尺寸逼近纳米尺度，量子力学现象在信息处理中扮演着日益重要的角色，量子电路与数据编码方法出现在最安全的通信形式中。由于所涉及的量子态空间极为庞大，高效模拟此类现象极其困难。量子态与环境之间非期望相互作用所引起的误差（噪声）造成了主要复杂性。因此，使用密度矩阵表示来模拟量子电路及其相关误差在许多应用中具有潜在重要性，但在时间和内存资源上远远超出大多数经典模拟技术的计算能力。密度矩阵的大小随所模拟量子比特数呈指数增长，使得显式存储密度矩阵的基于数组的模拟技术难以处理。在本工作中，我们提出一种旨在高效模拟受误差影响量子电路的新技术。具体而言，我们描述了在模拟器QuIDDPro/D中实现的新基于图的算法。先前报道的基于图的模拟器以态矢表示运作，而这些新算法使用密度矩阵表示。为衡量QuIDDPro/D带来的改进，我们将其模拟性能与一个称为QCSim的优化基于数组的模拟器进行比较。由两个模拟器在一组涉及纠错、可逆逻辑、通信和量子搜索的量子电路基准上生成的经验结果表明，基于图的方法远优于基于数组的方法。