Pauli propagation

Ang pauli-prop package ay nagbibigay ng Rust-accelerated na Python interface para magsagawa ng Pauli propagation.

Ang Pauli propagation ay isang framework para tantiyahin ang ebolusyon ng mga operator sa Pauli basis sa ilalim ng aksyon ng iba pang operator, gaya ng mga gate ng quantum circuit at mga noise channel. Maaaring maging epektibo ang pamamaraang ito kapag inaasahang mananatiling sparse sa Pauli basis ang mga operator na kasangkot.

Maaaring gamitin ang mga subroutine sa package na ito para magpatupad ng mga error mitigation technique gaya ng lightcone shading [6] at propagated noise absorption [7], operator backpropagation [8] para sa pagbabawas ng circuit depth, at classical na simulation ng mga expectation value [1-5].

Pagsisimula

Mayroong simpleng gabay para matulungan kang magsimula agad sa package na ito sa quickstart guide.

Mga halimbawa ng use case

Maaaring gamitin ang Pauli propagation bilang mas mababang antas na engine para magpatupad ng iba't ibang technique. Ilan sa mga halimbawa kung saan ito ginamit ay:

• Lightcone shading para bawasan ang sampling overhead ng probabilistic error cancellation (PEC) para sa pag-mitigate ng mga expectation value sa 1- at 2D na transverse field Ising model [6] [qiskit-addon-slc docs]

• Pagsipsip ng impormasyon ng noise model sa isang target na observable para i-mitigate ang mga expectation value sa 2D na transverse field Ising model [7] [qiskit-addon-pna docs]

• Pag-trim ng mga trailing gate para makabuo ng mga Trotter circuit na mas mababa ang depth para sa time-evolution ng 2D na spin model [8] [qiskit-addon-obp docs]

Teknikal na talakayan

Mga detalye ng software

• Rust-accelerated na Python interface

• Suporta para sa mga noisy na simulation [guide]

• Kakayahang mag-truncate ng mga term habang nag-e-evolve batay sa absolute na coefficient tolerance, nakapirming bilang ng mga term sa nag-e-evolve na operator, o kombinasyon ng dalawa

• Kakayahang magsagawa ng Pauli propagation sa parehong Schrödinger at Heisenberg framework

• Bagong technique para tantiyahin ang conjugation ng isang Pauli-sum operator ng isa pang Pauli operator. Ang heuristic na implementasyong ito ay greedy na gumagawa ng mga kontribusyon sa product na inaasahang pinakamahalaga. Tingnan ang Appendix B ng [7] para sa karagdagang impormasyon.

• Isang thread lang

Mga kinakailangan sa computation

Ang gastos sa memory at oras ng mga Pauli propagation routine ay karaniwang tumataas ayon sa laki kung saan pinapayagang lumaki ang evolved na operator.

propagate_through_rotation_gates(): Habang pina-propagate ang Pauli operator sa Pauli basis sa ilalim ng aksyon ng sunud-sunod na $N$ Pauli rotation gate ng isang $M$-qubit na circuit, tataas ang bilang ng mga term bilang $\mathcal{O}(2^N)$ papunta sa maximum na $4^M$ natatanging Pauli component. Para makontrol ang paggamit ng memory, tina-truncate ang operator pagkatapos ilapat ang bawat gate, na nagdudulot ng kaunting error na proporsyonal sa laki ng mga coefficient ng mga na-truncate na term. Linear sa laki ng evolved na operator ang pangangailangan sa memory, at linear din ang pagtaas ng runtime sa parehong laki ng operator at bilang ng mga gate.

propagate_through_operator(): Kino-conjugate ang isang operator sa Pauli basis ng isa pa sa pamamagitan ng greedy na pag-ipon ng mga term sa sum, $\sum_{i,j,k}G^{\dagger}_iO_jG_k$, kung saan ang $i,j,k$ ay mga sparse index sa Pauli basis. Sina-sort ng implementasyong ito ang mga coefficient sa bawat operator ayon sa pababang magnitude, pagkatapos ay hinahanap sa 3D index space ang mga term na may pinakamalalaking coefficient, simula sa origin $(0,0,0)$, at iniipon ang mga triplet na $(i,j,k)$ hanggang sa isang tinukoy na cutoff. Madalas na magagawang bale-wala ang oras na ginugugol sa paghahanap sa pamamagitan ng pagtaas ng search step size sa $(i,j,k)$ space, na nagbibigay ng cubic na speedup para sa subroutine na ito. Sa aming profiling, malaking oras ang maaaring magugol sa pag-sort ng mga operator at pagsasagawa ng Pauli multiplication para buuin ang mga term sa bagong operator.

Pag-ambag

Available ang source code sa GitHub.

Ang developer guide ay matatagpuan sa CONTRIBUTING.md sa root ng repository ng proyektong ito. Sa pakikilahok, inaasahan mong susundin ang code of conduct ng Qiskit.

Gumagamit kami ng GitHub issues para subaybayan ang mga request at bug.

Pagsipi sa package na ito

Kung ginagamit mo ang package na ito sa iyong pananaliksik, gamitin ang file na CITATION.bib sa repository ng proyektong ito para isipi ang naaangkop na reference.

Lisensya

Apache License 2.0

Patakaran sa Deprecation

Sumusunod kami sa semantic versioning. Paminsan-minsan, maaari kaming gumawa ng mga breaking change para mapabuti ang karanasan ng user. Kung posible, itatago namin ang mga lumang interface at mamarkahan ang mga ito bilang deprecated, hangga't maaari silang magsabay sa mga bago. Idodokumento sa release notes ang bawat malaking pagpapabuti, breaking change, o deprecation.

Mga Sanggunian

1. [Tomislav Begušić, Johnnie Gray, Garnet Kin-Lic Chan, Fast and converged classical simulations of evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance, arXiv:2308.05077 [quant-ph].

2. Nicolas Loizeau, et al., Quantum many-body simulations with PauliStrings.jl, arXiv:2410.09654 [quant-ph].

3. Manuel S. Rudolph, et al., Pauli Propagation: A Computational Framework for Simulating Quantum Systems, arXiv:2505.21606 [quant-ph].

4. Hrant Gharibyan, et al., A Practical Guide to using Pauli Path Simulators for Utility-Scale Quantum Experiments, arXiv:2507.10771 [quant-ph].

5. Lukas Broers, et al., Scalable Simulation of Quantum Many-Body Dynamics with Or-Represented Quantum Algebra, arXiv:2506.13241 [quant-ph].

6. Andrew Eddins, Minh C. Tran, Patrick Rall, Lightcone shading for classically accelerated quantum error mitigation, arXiv:2409.04401 [quant-ph].

7. Andrew Eddins, et al., Computing noise-canceling observables via Pauli propagation, arXiv:2606.20441 [quant-ph].

8 Bryce Fuller, et al., Improved Quantum Computation using Operator Backpropagation, arXiv:2502.01897 [quant-ph].