矩阵乘积态的可扩展制备:基于顺序式与砖墙式量子电路实现

制备任意量子态需要消耗指数级资源。矩阵乘积态(MPS)允许更高效的构造方式,尤其在用精度换取电路复杂度时。现有MPS制备方法主要依赖两种途径:一是确定性但精度快速饱和的启发式电路,二是保真度高但扩展性差的变分优化方法。该研究提出了一种端到端的MPS制备框架,将两种策略的优势整合到统一流程中。通过阶梯状和砖墙式解纠缠器电路提供变分优化的热启动初始化,实现了大系统的高保真态制备。目标MPS既可作为物理量子态指定,也可通过振幅编码从经典数据构建——采用逐步奇异值分解或张量交叉插值方法。该框架融合了基于纠缠的量子比特重排序(重构为二次分配问题)以及底层优化技术,使电路深度降低50%、CNOT门数量减少33%。研究人员在19-50量子比特系统上评估了全流程对不同复杂度数据集的适应性,揭示了保真度、门数量和电路深度之间的权衡关系。优化后的砖墙式电路通常能达到最小深度,而阶梯状电路则可最小化门数量。整体而言,该工作为将MPS制备为量子电路提供了可扩展的理论方案,支持近期量子设备的实用级应用。

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提交arXiv: 2026-02-12 15:07

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