Quantum Compilation Toolkit for Rydberg Atom Arrays with Implications for Problem Hardness and Quantum Speedups

Auteurs : Martin J. A. Schuetz, Ruben S. Andrist, Grant Salton, Romina Yalovetzky, Rudy Raymond, Yue Sun, Atithi Acharya, Shouvanik Chakrabarti, Marco Pistoia, Helmut G. Katzgraber

arXiv: 2412.14976v2 - DOI (quant-ph)
Manuscript: 20 pages, 16 figures. Appendix: 1 page, 3 figures

Résumé : We propose and implement a comprehensive quantum compilation toolkit for solving the maximum independent set (MIS) problem on quantum hardware based on Rydberg atom arrays. Our end-to-end pipeline involves three core components to efficiently map generic MIS instances onto Rydberg arrays with unit-disk connectivity, with modules for graph reduction, hardware compatibility checks, and graph embedding. The first module (reducer) provides hardware-agnostic and deterministic reduction logic that iteratively reduces the problem size via lazy clique removals. We find that real-world networks can typically be reduced by orders of magnitude on sub-second time scales, thus significantly cutting down the eventual load for quantum devices. Moreover, we show that reduction techniques may be an important tool in the ongoing search for potential quantum speedups, given their ability to identify hard problem instances. In particular, for Rydberg-native MIS instances, we observe signatures of an easy-hard-easy transition and quantify a critical degree indicating the onset of a hard problem regime. The second module (compatibility checker) implements a hardware compatibility checker that quickly determines whether or not a given input graph may be compatible with the restrictions imposed by Rydberg quantum hardware. The third module (embedder) describes hardware-efficient graph embedding routines to generate (approximate) encodings with controllable overhead and optimized ancilla placements. We exemplify our pipeline with experiments run on the QuEra Aquila device available on Amazon Braket. In aggregate, our work provides a set of tools that extends the class of problems that can be tackled with near-term Rydberg atom arrays.

Soumis à arXiv le 19 Déc. 2024

Explorez l'arbre d'article

Cliquez sur les nœuds de l'arborescence pour être redirigé vers un article donné et accéder à leurs résumés et assistant virtuel

Accédez également à nos Résumés, ou posez des questions sur cet article à notre Assistant IA.

Recherchez des articles similaires (en version bêta)

En cliquant sur le bouton ci-dessus, notre algorithme analysera tous les articles de notre base de données pour trouver le plus proche en fonction du contenu des articles complets et pas seulement des métadonnées. Veuillez noter que cela ne fonctionne que pour les articles pour lesquels nous avons généré des résumés et que vous pouvez le réexécuter de temps en temps pour obtenir un résultat plus précis pendant que notre base de données s'agrandit.