تحسين دقة عمليات محاكاة تروتر باستخدام استيفاء تشيبيشيف

تحسين دقة عمليات محاكاة تروتر باستخدام استيفاء تشيبيشيف

جومارو ريندون1، جاكوب واتكينز2وناثان ويب3,4

1شركة زاباتا للحوسبة، بوسطن، MA 02110، الولايات المتحدة الأمريكية
2منشأة لحزم النظائر النادرة، جامعة ولاية ميشيغان، إيست لانسينغ، MI 48824، الولايات المتحدة الأمريكية
3قسم علوم الكمبيوتر ، جامعة تورنتو ، تورنتو ، ON M5S 2E4 ، كندا
4مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني ، ريتشلاند ، واشنطن 99352 ، الولايات المتحدة الأمريكية

تجد هذه الورقة مثيرة للاهتمام أو ترغب في مناقشة؟ Scite أو ترك تعليق على SciRate.

ملخص

تسمح القياسات الكمومية بقياس خصائص النظام الكمي عند الحد الأمثل لهايزنبرغ. ومع ذلك، عندما يتم إعداد الحالات الكمومية ذات الصلة باستخدام محاكاة هاميلتون الرقمية، فإن الأخطاء الخوارزمية المتراكمة سوف تسبب انحرافات عن هذا الحد الأساسي. في هذا العمل، نوضح كيف يمكن التخفيف من الأخطاء الخوارزمية الناتجة عن تطور الزمن التروتريزيد من خلال استخدام تقنيات الاستيفاء متعدد الحدود القياسية. يتمثل نهجنا في الاستقراء إلى حجم خطوة Trotter صفر، على غرار تقنيات الاستقراء الخالية من الضوضاء للتخفيف من أخطاء الأجهزة. نحن نجري تحليلًا صارمًا للأخطاء لنهج الاستيفاء لتقدير القيم الذاتية وقيم التوقع المتطورة بمرور الوقت، ونظهر أن حد هايزنبرغ قد تم تحقيقه حتى العوامل المتعددة اللوغاريتمية في الخطأ. يشير عملنا إلى أنه يمكن تحقيق دقة تقترب من دقة خوارزميات المحاكاة الحديثة باستخدام موارد Trotter والموارد الكلاسيكية وحدها لعدد من المهام الخوارزمية ذات الصلة.

[المحتوى جزءا لا يتجزأ]

تتمتع أجهزة الكمبيوتر الكمومية بالقدرة على تعزيز فهمنا للكيمياء والمواد والفيزياء النووية وغيرها من التخصصات العلمية من خلال محاكاة الكم المحسنة. هناك العديد من الخوارزميات الكمومية المتاحة لهذه المهمة، ومن بين هذه الخوارزميات، غالبًا ما تُفضل صيغ تروتر نظرًا لبساطتها وتكاليفها الأولية المنخفضة. لسوء الحظ، تعتبر صيغ تروتر، من الناحية النظرية، غير دقيقة نسبيًا مقارنة بمنافسيها الأحدث والأكثر تطورًا. وعلى الرغم من أن المزيد من الوقت الحسابي قد يساعد، إلا أن هذه الإستراتيجية سرعان ما أصبحت غير قابلة للإدارة على الأجهزة الكمومية الصاخبة اليوم، مع قدرة محدودة على إجراء حسابات طويلة دون انقطاع.

للتخفيف من الأخطاء في عمليات محاكاة تروتر دون زيادة وقت المعالجة الكمومية، نستخدم متعددات الحدود لمعرفة العلاقة بين الخطأ وحجم الخطوة. من خلال جمع البيانات لاختيارات مختلفة لحجم الخطوة، يمكننا استيفاء، أي ربط البيانات باستخدام كثير الحدود، ثم تقدير السلوك المتوقع لأحجام الخطوات الصغيرة جدًا. لقد أثبتنا رياضيًا أن نهجنا يؤدي إلى تحسينات في الدقة المقاربة مقارنةً بـ Trotter القياسي لمهمتين أساسيتين: تقدير القيم الذاتية وتقدير قيم التوقع.

طريقتنا بسيطة وعملية، وتتطلب فقط التقنيات القياسية في الحساب الكمي والكلاسيكي. نعتقد أن عملنا يوفر موطئ قدم نظريًا قويًا لإجراء مزيد من التحقيقات حول تخفيف الأخطاء الخوارزمية. يمكن أن تحدث توسعات في هذا العمل في عدة اتجاهات، بدءًا من إزالة الافتراضات الاصطناعية في تحليلنا وحتى إظهار عمليات المحاكاة الكمومية المحسنة.

► بيانات BibTeX

ferences المراجع

[1] إس. لويد، أجهزة محاكاة الكم العالمية، العلوم 273 (1996) 1073.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1126 / science.273.5278.1073

[2] M. Reiher، N. Wiebe، KM Svore، D. Wecker and M. Troyer، توضيح آليات التفاعل على أجهزة الكمبيوتر الكمومية، وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم 114 (2017) 7555.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.161915211

[3] JD Whitfield، J. Biamonte and A. Aspuru-Guzik، محاكاة هاميلتونيين البنية الإلكترونية باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية، الفيزياء الجزيئية 109 (2011) 735.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1080 / 00268976.2011.552441

[4] J. Lee، DW Berry، C. Gidney، WJ Huggins، JR McClean، N. Wiebe et al.، حتى الحسابات الكمومية الأكثر كفاءة للكيمياء من خلال الانكماش المفرط الموتر، PRX Quantum 2 (2021) 030305.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030305

[5] V. von Burg, GH Low, T. Häner, DS Steiger, M. Reiher, M. Roetteler et al., الحوسبة الكمومية المعززة للتحفيز الحسابي، أبحاث المراجعة الفيزيائية 3 (2021) 033055.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.033055

[6] SP Jordan، KS Lee and J. Preskill، خوارزميات الكم لنظريات المجال الكمي، العلوم 336 (2012) 1130.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1126 / science.1217069

[7] AF Shaw، P. Lougovski، JR Stryker و N. Wiebe، خوارزميات الكم لمحاكاة نموذج شوينغر الشبكي، كوانتوم 4 (2020) 306.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-08-10-306

[8] N. Klco، MJ Savage و JR Stryker، Su (2) نظرية مجال القياس غير الأبيلي في بعد واحد على أجهزة الكمبيوتر الكمومية الرقمية، المراجعة الفيزيائية D 101 (2020) 074512.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.101.074512

[9] AM تشايلدز وN. Wiebe، المحاكاة الهاملتونية باستخدام مجموعات خطية من العمليات الوحدوية، معلومات الكم. حساب. 12 (2012) 901-924.
https: / / doi.org/ 10.26421 / QIC12.11-12-1

[10] GH Low، V. Kliuchnikov and N. Wiebe، محاكاة هاملتونية متعددة المنتجات مكيفة جيدًا، أرخايف:1907.11679 (2019).
https: / / doi.org/10.48550 / arXiv.1907.11679
أرخايف: 1907.11679

[11] DW Berry، AM Childs، R. Cleve، R. Kothari and RD Somma، محاكاة ديناميكيات هاميلتون مع سلسلة تايلور مبتورة، رسائل المراجعة المادية 114 (2015) 090502.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.090502

[12] GH Low and N. Wiebe، محاكاة هاملتونية في صورة التفاعل، أرخايف:1805.00675 (2018).
https: / / doi.org/10.48550 / arXiv.1805.00675
أرخايف: 1805.00675

[13] M. Kieferová، A. Scherer و DW Berry، محاكاة ديناميكيات هاميلتونيين المعتمدين على الوقت من خلال سلسلة دايسون المقطوعة، Physical Review A 99 (2019) 042314.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.042314

[14] GH Low وIL Chuang، المحاكاة الهاملتونية عن طريق Qubitization، Quantum 3 (2019) 163.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-07-12-163

[15] R. Babbush، C. Gidney، DW Berry، N. Wiebe، J. McClean، A. Paler et al.، تشفير الأطياف الإلكترونية في الدوائر الكمومية ذات التعقيد الخطي t، Physical Review X 8 (2018) 041015.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[16] DW Berry، G. Ahokas، R. Cleve and BC Sanders، خوارزميات الكم الفعالة لمحاكاة هاملتونيين متفرقين، الاتصالات في الفيزياء الرياضية 270 (2006) 359-371.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1007 / s00220-006-0150-X

[17] N. Wiebe، DW Berry، P. Høyer and BC Sanders، محاكاة ديناميكيات الكم على كمبيوتر كمي، مجلة الفيزياء أ: الرياضيات والنظرية 44 (2011) 445308.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​44/​44/​445308

[18] AM Childs, Y. Su, MC Tran, N. Wiebe and S. Zhu، نظرية خطأ الخبب مع قياس المبدل، المراجعة البدنية X 11 (2021) 011020.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.011020

[19] J. Haah، MB Hastings، R. Kothari و GH Low، خوارزمية الكم لمحاكاة التطور في الوقت الحقيقي لشبكات هاملتونيين، مجلة SIAM on Computing (2021) FOCS18.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1137 / 18M12315

[20] M. Hagan and N. Wiebe، المحاكاة الكمومية المركبة، أرخايف:2206.06409 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-11-14-1181
أرخايف: 2206.06409

[21] GH Low, Y. Su, Y. Tong and MC Tran، حول مدى تعقيد تنفيذ خطوات الخبب، أرخايف:2211.09133 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.4.020323
أرخايف: 2211.09133

[22] GH Low و IL Chuang، محاكاة هاميلتونية مثالية عن طريق معالجة الإشارات الكمومية، رسائل المراجعة الفيزيائية 118 (2017).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.118.010501

[23] S. Endo، Q. Zhao، Y. Li، S. Benjamin and X. Yuan، التخفيف من الأخطاء الخوارزمية في محاكاة هاملتونية، فيز. القس أ 99 (2019) 012334.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.012334

[24] AC Vazquez، R. Hiptmair and S. Woerner، تعزيز خوارزمية الأنظمة الخطية الكم باستخدام استقراء ريتشاردسون، معاملات ACM على الحوسبة الكمومية 3 (2022).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1145 / 3490631

[25] AC Vazquez، DJ Egger، D. Ochsner and S. Woerner، صيغ متعددة المنتجات مكيفة جيدًا لمحاكاة هاملتونية صديقة للأجهزة، Quantum 7 (2023) 1067.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-07-25-1067

[26] م. سوزوكي، النظرية العامة لتكاملات المسار الكسري مع تطبيقات على نظريات الأجسام المتعددة والفيزياء الإحصائية، مجلة الفيزياء الرياضية 32 (1991) 400.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1063 / 1.529425

[27] A. Gilyén, Y. Su, GH Low and N. Wiebe, تحويل القيمة المفردة الكمية وما بعدها: التحسينات الأسية لحسابات المصفوفة الكمومية، في وقائع ندوة ACM SIGACT السنوية الحادية والخمسين حول نظرية الحوسبة، الصفحات من 51 إلى 193، 204 ، معرف الهوية الرقمي.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1145 / 3313276.3316366

[28] C. Yi and E. Crosson، التحليل الطيفي لصيغ المنتج لمحاكاة الكم، npj Quantum Information 8 (2022) 37.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-022-00548-ث

[29] A. Quarteroni، R. Sacco and F. Saleri، الرياضيات العددية، المجلد. 37، سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا ​​(2010)، 10.1007/​b98885.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1007 / b98885

[30] F. Piazzon وM. Vianello، عدم المساواة في الاستقرار لثوابت lebesgue عبر عدم المساواة المشابهة لماركوف، ملاحظات بحثية عن الدولوميت حول التقريب 11 (2018).

[31] AP de Camargo، حول الاستقرار العددي لصيغة نيوتن لاستكمال لاغرانج، مجلة الرياضيات الحسابية والتطبيقية 365 (2020) 112369.
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.cam.2019.112369

[32] L. Trefethen، ستة أساطير حول الاستيفاء والتربيع متعدد الحدود، (2011).

[33] دبليو جاوتشي، ما مدى (عدم) استقرار أنظمة فاندرموند؟ التحليل المقارب والحسابي، في ملاحظات المحاضرة في الرياضيات البحتة والتطبيقية، الصفحات من 193 إلى 210، Marcel Dekker، Inc، 1990.

[34] هيغام نيوجيرسي، الاستقرار العددي لاستكمال لاغرانج مركزية الكتلة، مجلة IMA للتحليل العددي 24 (2004) 547.
https: / / doi.org/10.1093 / imanum / 24.4.547

[35] JC Mason and DC Handscomb، متعددات حدود تشيبيشيف، مطبعة CRC (2002)، 10.1201/9781420036114.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1201 / 9781420036114

[36] G. Rendon، T. Izubuchi و Y. Kikuchi، تأثيرات نافذة تناقص جيب التمام على تقدير الطور الكمي، المراجعة الفيزيائية D 106 (2022) 034503.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.106.034503

[37] LN Trefethen، نظرية التقريب وممارسة التقريب، طبعة موسعة، SIAM (2019)، 10.1137/1.9781611975949.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1137 / 1.9781611975949

[38] إف إل باور و سي تي فايك، القواعد ونظريات الاستبعاد، الأعداد. الرياضيات. 2 (1960) 137-141.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1007 / BF01386217

[39] إس بلانيس، إف. كاساس، جي.-أ. أوتيو وج. روس، التوسع الكبير وبعض تطبيقاته، تقارير الفيزياء 470 (2009) 151.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2008.11.001

[40] N. Klco وMJ Savage، تحضير حالة الحد الأدنى من التشابك لوظائف الموجات المحلية على أجهزة الكمبيوتر الكمومية، المراجعة الفيزيائية أ 102 (2020).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.102.012612

[41] JJ García-Ripoll، خوارزميات مستوحاة من الكم للتحليل متعدد المتغيرات: من الاستيفاء إلى المعادلات التفاضلية الجزئية، كوانتوم 5 (2021) 431.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-04-15-431

[42] W. Górecki، R. Demkowicz-Dobrzański، HM Wiseman و DW Berry، حد هايزنبرغ المصحح بـ $pi$، رسائل المراجعة المادية 124 (2020) 030501.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.030501

[43] D. Grinko، J. Gacon، C. Zoufal and S. Woerner، تقدير السعة الكمومية التكرارية، npj Quantum Information 7 (2021) 52 [1912.05559].
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-021-00379-1
أرخايف: 1912.05559

[44] N. Wiebe، D. Berry، P. Høyer and BC Sanders، تحليلات ذات ترتيب أعلى لأسس المشغل المطلوبة، مجلة الفيزياء أ: الرياضيات والنظرية 43 (2010) 065203.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​43/​6/​065203

[45] آر إيه هورن وسي آر جونسون، تحليل ماتريكس، مطبعة جامعة كامبريدج (2012)، 10.1017/CBO9780511810817.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511810817

[46] M. Chiani، D. Dardari وMK Simon، الحدود الأسية الجديدة والتقديرات التقريبية لحساب احتمالية الخطأ في قنوات الخبو، معاملات IEEE على الاتصالات اللاسلكية 2 (2003) 840.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TWC.2003.814350

[47] JM Borwein وPB Borwein، Pi وAGM: دراسة في نظرية الأعداد التحليلية والتعقيد الحسابي، Wiley-Interscience (1987).

[48] بي إل هيغنز، دي دبليو بيري، إس دي بارتليت، إتش إم وايزمان وجي جي برايد، تقدير المرحلة المحدودة هايزنبرغ الخالية من التشابك، نيتشر 450 (2007) 393.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1038 / nature06257

[49] آر بي غريفيث و C.-S. نيو، تحويل فورييه شبه الكلاسيكي للحساب الكمي، رسائل المراجعة الفيزيائية 76 (1996) 3228.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.76.3228

[50] آي كيتيف، قياسات الكم ومشكلة استقرار أبيليان، quant-ph/9511026 (1995).
https: / / doi.org/10.48550 / arXiv.quant-ph / 9511026
أرخايف: ضليع في الرياضيات، وعل / 9511026

[51] DS أبرامز وS. لويد، خوارزمية الكم توفير زيادة السرعة الأسية لإيجاد القيم الذاتية والمتجهات الذاتية، رسائل المراجعة الفيزيائية 83 (1999) 5162.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.83.5162

[52] J. Watkins، N. Wiebe، A. Roggero and D. Lee، محاكاة هاميلتونية تعتمد على الوقت باستخدام إنشاءات الساعة المنفصلة، ​​أرخايف:2203.11353 (2022).
https: / / doi.org/10.48550 / arXiv.2203.11353
أرخايف: 2203.11353

[53] تي دي أهلي، حدود حادة وبسيطة للحظات الخام للتوزيعات ذات الحدين وبواسون، رسائل الإحصاء والاحتمالات 182 (2022) 109306.
https://​/doi.org/10.1016/​j.spl.2021.109306

[54] ت. ريفلين، كثيرات حدود تشيبيشيف، كتب دوفر في الرياضيات، منشورات دوفر (2020).

دليلنا يستخدم من قبل

[1] دين لي، "تقنيات الكم لمسائل القيمة الذاتية"، المجلة الفيزيائية الأوروبية أ 59 11، 275 (2023).

[2] تاتسوهيكو إن إيكيدا، وهيديكي كونو، وكيسوكي فوجي، "Trotter24: عملية تروتريزيشن ذات حجم تدريجي ومضمونة الدقة لمحاكاة هاميلتون"، أرخايف: 2307.05406, (2023).

[3] هانز هون سانغ تشان وريتشارد مايستر وماثيو إل جوه وبالنت كوتشور ، "مطيافية الظل الخوارزمية" ، أرخايف: 2212.11036, (2022).

[4] سيرجي جوك ونيال روبرتسون وسيرجي برافي ، "حدود خطأ تروتر والصيغ الديناميكية متعددة المنتجات لمحاكاة هاميلتونيان" ، أرخايف: 2306.12569, (2023).

[5] Zhicheng Zhang ، و Qisheng Wang ، و Mingsheng Ying ، "خوارزمية الكم الموازية لمحاكاة هاميلتونيان" ، الكم 8 ، 1228 (2024).

[6] ليا م. ترينكوالدر، إليانور سكري، توماس إي. أوبراين، وفيدران دونجكو، "تجميع محاكاة هاميلتون لصيغة المنتج عبر التعلم المعزز"، أرخايف: 2311.04285, (2023).

[7] جومارو ريندون وبيتر د. جونسون، "تقدير طاقة الدولة الغاوسي منخفض العمق"، أرخايف: 2309.16790, (2023).

[8] جريجوري بويد، "الموازاة ذات الحمل المنخفض لـ LCU عبر مشغلي التنقل"، أرخايف: 2312.00696, (2023).

الاستشهادات المذكورة أعلاه من إعلانات ساو / ناسا (تم آخر تحديث بنجاح 2024-02-27 02:40:25). قد تكون القائمة غير كاملة نظرًا لأن جميع الناشرين لا يقدمون بيانات اقتباس مناسبة وكاملة.

On خدمة Crossref's cited-by service لم يتم العثور على بيانات حول الاستشهاد بالأعمال (المحاولة الأخيرة 2024-02-27 02:40:24).

الطابع الزمني:

اكثر من مجلة الكم