Pauli-Ausbreitung

Das Paket pauli-prop stellt eine durch Rust beschleunigte Schnittstelle „ Python “ zur Durchführung der Pauli-Propagation bereit.

Die Pauli-Propagation ist ein Rahmenkonzept zur Näherungsberechnung der Entwicklung von Operatoren in der Pauli-Basis unter der Einwirkung anderer Operatoren, wie beispielsweise Quanten-Schaltgatter und Rauschkanäle. Dieser Ansatz kann wirksam sein, wenn davon ausgegangen wird, dass die beteiligten Operatoren in der Pauli-Basis spärlich verteilt bleiben.

Die Unterprogramme in diesem Paket können zur Implementierung von Techniken zur Fehlerminderung verwendet werden, wie beispielsweise Lightcone-Shading [6] und Propagated Noise Absorption [7], Operator-Backpropagation [8] zur Reduzierung der Schaltungstiefe sowie die klassische Simulation von Erwartungswerten [1–5].

Einführung

Eine einfache Anleitung, die Ihnen den schnellen Einstieg in dieses Paket erleichtert, finden Sie im Schnellstart-Leitfaden.

Anwendungsfallbeispiele

Die Pauli-Ausbreitung kann als Basis-Engine zur Umsetzung einer Vielzahl von Techniken genutzt werden. Hier sind einige Beispiele dafür, wo dies bereits zum Einsatz gekommen ist:

• Lightcone-Shading zur Reduzierung des Abtast-Overheads bei der probabilistischen Fehlerkompensation (PEC) zur Milderung von Erwartungswerten in einem 1- und 2D -Ising-Modell mit transversalem Feld [6] [qiskit-addon-slc docs ]
• Einbeziehung von Rauschmodellinformationen in eine Zielgröße zur Milderung der Erwartungswerte in einem Ising-Modell mit transversellem Feld und „ 2D “ [7] [qiskit-addon-pna docs ]
• Kürzung von nachlaufenden Gatterelementen zur Erzeugung von Trotter-Schaltungen mit geringerer Tiefe für die Zeitentwicklung eines „ 2D “-Spinmodells [8] [qiskit-addon-obp Dokumente ]

Fachliche Diskussion

Software-Details

• Rust-beschleunigte Schnittstelle „ Python “
• Unterstützung für Simulationen mit Rauschen [ Anleitung ]
• Möglichkeit, Terme während der Entwicklung auf der Grundlage einer absoluten Koeffiziententoleranz, einer festen Anzahl von Termen im sich entwickelnden Operator oder einer Kombination aus beidem zu kürzen
• Möglichkeit zur Durchführung der Pauli-Propagation sowohl im Schrödinger- als auch im Heisenberg-Rahmen
• Eine neue Methode zur Annäherung der Konjugation eines Pauli-Summenoperators durch einen anderen Pauli-Operator. Diese heuristische Implementierung generiert gierig Beiträge zu dem Produkt, von dem erwartet wird, dass es am aussagekräftigsten ist. Weitere Informationen finden Sie in Anhang B von [7].
• Einzelthread

Systemanforderungen

Sowohl der Speicher- als auch der Zeitaufwand für Pauli-Propagationsroutinen skalieren im Allgemeinen mit der Größe, auf die der entwickelte Operator anwachsen darf.

propagate_through_rotation_gates(): Während der Pauli-Operator unter der Wirkung einer Folge von $N$ Pauli-Rotationsgattern einer $M$ -Qubit-Schaltung in der Pauli-Basis propagiert wird, wächst die Anzahl der Terme als $\mathcal{O}(2^N)$ auf ein Maximum von $4^M$ eindeutigen Pauli-Komponenten an. Um den Speicherverbrauch zu begrenzen, wird der Operator nach der Anwendung jedes Gatters abgeschnitten, was zu einem Fehler führt, der proportional zur Größe der Koeffizienten der abgeschnittenen Terme ist. Der Speicherbedarf ist linear von der Größe des entwickelten Operators abhängig, und die Laufzeit skaliert linear sowohl mit der Operatorgröße als auch mit der Anzahl der Gatter.

propagate_through_operator(): Konjugiert einen Operator in der Pauli-Basis mit einem anderen, indem Terme in der Summe „gierig“ akkumuliert werden: $\sum_{i,j,k}G^{\dagger}_iO_jG_k$, wobei $i,j,k$ spärliche Indizes über der Pauli-Basis sind. Diese Implementierung sortiert die Koeffizienten in jedem Operator nach absteigender Größe und durchsucht anschließend den Indexraum 3D nach den Termen mit den größten Koeffizienten, beginnend am Ursprung $(0,0,0)$, wobei $(i,j,k)$ Dreiergruppen bis zu einem festgelegten Grenzwert akkumuliert werden. Der Zeitaufwand für die Suche lässt sich oft vernachlässigbar gering halten, indem die Schrittweite im Raum $(i,j,k)$ erhöht wird, was für diese Subroutine eine kubische Beschleunigung bewirkt. Bei unserer Profilierung kann viel Zeit damit verbracht werden, die Operatoren zu sortieren und die Pauli-Multiplikation durchzuführen, um die Terme des neuen Operators zu erzeugen.

Beitrag

Der Quellcode ist unter GitHub verfügbar.

Das Entwicklerhandbuch befindet sich unter CONTRIBUTING.md im Stammverzeichnis des Repositorys dieses Projekts. Mit Ihrer Teilnahme verpflichten Sie sich, den Verhaltenskodex von Qiskit einzuhalten.

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Verweis auf dieses Paket

Wenn Sie dieses Paket in Ihrer Forschungsarbeit verwenden, nutzen Sie bitte die Datei „ CITATION.bib “ im Repository dieses Projekts, um die entsprechenden Quellen anzugeben.

Lizenz

Apache Lizenz 2.0

Richtlinie zur Veralterung von Funktionen

Wir halten uns an die semantische Versionsverwaltung. Gelegentlich nehmen wir möglicherweise Änderungen vor, die Kompatibilitätsprobleme verursachen, um die Benutzererfahrung zu verbessern. Soweit möglich, werden wir alte Schnittstellen beibehalten und sie als veraltet kennzeichnen, solange sie neben den neuen Schnittstellen bestehen bleiben können. Jede wesentliche Verbesserung, jede Änderung mit Kompatibilitätsproblemen und jede veraltete Funktion wird in den Versionshinweisen dokumentiert.

Referenzen

1. [Tomislav Begušić, Johnnie Gray, Garnet Kin-Lic Chan, Schnelle und konvergierte klassische Simulationen als Beleg für den Nutzen des Quantencomputings vor der Fehlerkorrektur, arXiv:2308.05077 [quant-ph].

2. Nicolas Loizeau u. a., Quanten-Vielteilchensimulationen mit PauliStrings.jl, arXiv:2410.09654 [quant-ph].

3. Manuel S. Rudolph u. a., Pauli-Propagation: Ein rechnergestütztes Rahmenwerk zur Simulation von Quantensystemen, arXiv:2505.21606[ quant-ph].

4. Hrant Gharibyan u. a., Ein praktischer Leitfaden zur Verwendung von Pauli-Pfad-Simulatoren für Quantenversuche im industriellen Maßstab, arXiv:2507.10771[ quant-ph].

5. Lukas Broers u. a., Skalierbare Simulation der Quanten-Vielteilchendynamik mit einer durch „Or“ dargestellten Quantenalgebra, arXiv:2506.13241[ quant-ph].

6. Andrew Eddins, Minh C. Tran, Patrick Rall, „Lightcone Shading für die klassisch beschleunigte Minderung von Quantenfehlern“, arXiv:2409.04401 [quant-ph].

7. Andrew Eddins u. a., Berechnung von Observablen mit Rauschunterdrückung mittels Pauli-Propagation, arXiv:2606.20441 [quant-ph].

8 Bryce Fuller u. a., Verbesserte Quantenberechnung mittels Operator-Backpropagation, arXiv:2502.01897 [quant-ph].