TE-PAI: exact time evolution by sampling random circuits

Chusei Kiumi

doi:10.1088/2058-9565/ae1160

2025-12-01

PRE

Chusei Kiumi *

Bálint Koczor

DOI：10.1088/2058-9565/ae1160

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摘要

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在量子哈密顿量下模拟时间演化是量子计算机最自然的应⽤之⼀。我们引⼊TE-PAI，通过采样随机量子电路来精确模拟时间演化，以⽬的估计可观测量期望值，代价是增加了电路重复次数。该⽅法基于概率⻆度插值（PAI）技术，我们证明了它能在⽆离散化或算法误差的情况下模拟时间演化，同时实现浅电路深度，并具有最优缩放比例，饱和了Lieb-Robinson界。TE-PAI的另⼀个显著优势在于，它仅需要执⾏由仅包含两种旋⾓⾦属（±Delta和pi）的泡利旋转⻔组成的随机电路，以及测量操作。虽然TE-PAI对NISQ设备⾮常有⾳，我们另外开发了使⽤催化剂电路和重复直到成功传送的优化早期容错实现⽅案，得出该⽅法所需的T态⽐传统技术（如Trotter化）低⼏个数量级，我们估计3x10^5个T态⾜以⽤于100量子比特Heisenberg自旋哈密顿量的容错模拟。此外，TE-PAI允许通过任意调整旋⾓⾦属Delta来⾼度灵活地权衡电路深度和测量开销。我们预计，该⽅法将在⽇趋成熟的NISQ和早期容错阶段成为⼀个重要的使能器，因为它可以通过增加电路重复次数来弥补电路深度和量子比特数量的限制。

Keyword:

quantum simulation

quantum algorithm

early fault-tolerant quantum computer