Quantum Phase Estimation (QPE) is a cardinal algorithm in quantum computing that plays a crucial role in various applications, including cryptography, molecular simulation, and solving systems of linear equations. However, the standard implementation of QPE faces challenges related to time complexity and circuit depth, which limit its practicality for large-scale computations. We introduce LuGo, a novel framework designed to enhance the performance of QPE by reducing circuit duplication, as well as using parallelization techniques to achieve faster generation of the QPE circuit and gate reduction. We validate the effectiveness of our framework by generating quantum linear solver circuits, which require both QPE and inverse QPE, to solve linear systems of equations. LuGo achieves significant improvements in both computational efficiency and hardware requirements without compromising on accuracy. Compared to a standard QPE implementation, LuGo reduces time consumption to generate a circuit that solves a $2^6\times 2^6$ system matrix by a factor of $50.68$ and over $31\times$ reduction of quantum gates and circuit depth, with no fidelity loss on an ideal quantum simulator. We demonstrated the versatility and scalability of LuGo enabled HHL algorithm by simulating a canonical Hele-Shaw fluid problem using a quantum simulator. With these advantages, LuGo paves the way for more efficient implementations of QPE, enabling broader applications across several quantum computing domains.


翻译:量子相位估计(QPE)是量子计算中的核心算法,在密码学、分子模拟以及求解线性方程组等多种应用中发挥着关键作用。然而,标准QPE实现面临着时间复杂度和电路深度方面的挑战,这限制了其在大规模计算中的实用性。我们提出了LuGo,一种旨在通过减少电路重复并利用并行化技术来提升QPE性能的新框架,以实现更快的QPE电路生成和门电路精简。我们通过生成量子线性求解器电路(该电路需要同时使用QPE和逆QPE来求解线性方程组)验证了该框架的有效性。LuGo在不牺牲精度的前提下,显著提升了计算效率并降低了硬件需求。与标准QPE实现相比,LuGo将生成用于求解$2^6\times 2^6$系统矩阵电路的时间消耗降低了50.68倍,量子门数量和电路深度减少了超过31倍,且在理想量子模拟器上无保真度损失。我们通过使用量子模拟器模拟经典的Hele-Shaw流体问题,展示了LuGo赋能HHL算法的多功能性和可扩展性。凭借这些优势,LuGo为更高效的QPE实现铺平了道路,推动了其在多个量子计算领域更广泛的应用。

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