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Sparse quantum state preparation with improved Toffoli cost

Rupprecht, Felix und Wölk, Sabine Esther (2026) Sparse quantum state preparation with improved Toffoli cost. Quantum, 10, Seite 2208. Verein zur Förderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften. doi: 10.22331/q-2026-09-10-2208. ISSN 2521-327X.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
744kB

Offizielle URL: https://quantum-journal.org/papers/q-2026-09-10-2208/

Kurzfassung

The preparation of quantum states is one of the most fundamental tasks in quantum computing, and a key primitive in many quantum algorithms. Of particular interest to areas such as quantum simulation and linear-system solvers are sparse quantum states, which contain only a small number s of non-zero computational basis states compared to a generic state. In this work, we present an approach that prepares s-sparse states on n qubits, reducing the number of Toffoli gates required compared to prior art. We work in the established framework of first preparing a dense state on a log(s)-qubit sub-register, and then mapping this state to the target state via an isometry, with the latter step dominating the cost of the full algorithm. The speed-up is achieved by designing an efficient algorithm for finding and implementing the isometry. The worst-case Toffoli cost of our isometry circuit, which may be viewed as a batched version of an approach by Malvetti et al., is essentially 2s for sufficiently large values of n, yielding roughly a log(s)/2 improvement factor over the state-of-the-art. In numerical benchmarks on randomly chosen states, the cost is closer to s. With the improved isometry circuit, we examine the dense-state preparation step and present ways to optimize the joint cost of both steps, particularly in the case of target states with purely real coefficients, by outsourcing some sub-tasks from the dense-state preparation to the isometry.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/226765/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Sparse quantum state preparation with improved Toffoli cost
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Rupprecht, Felixfelix.rupprecht (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wölk, Sabine EstherSabine.Woelk (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:10 September 2026
Erschienen in:Quantum
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:10
DOI:10.22331/q-2026-09-10-2208
Seitenbereich:Seite 2208
Verlag:Verein zur Förderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften
ISSN:2521-327X
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Sparse quantum state preparation, fault-tolerant quantum computing
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HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Kommunikation, Navigation, Quantentechnologien
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DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Quanteninformation und Kommunikation
Standort: Ulm
Institute & Einrichtungen:Institut für Quantentechnologien > Quanteninformation und -Kommunikation
Hinterlegt von: Rupprecht, Felix
Hinterlegt am:12 Sep 2026 11:45
Letzte Änderung:14 Sep 2026 11:56

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