الحساب الكمي المتسامح مع الأخطاء للملاحظات الجزيئية

الحساب الكمي المتسامح مع الأخطاء للملاحظات الجزيئية

مارك ستودتنر1, سام مورلي شورت1, وليام بول1, سوكين سيم1, كريستيان ل. كورتيس2, ماتياس لوبيرسبرجر2, روبرت م. باريش2, ماتياس ديجروت3, نيكولاي مول3, رافاييل سانتاغاتي3و مايكل ستريف3

1بسي كوانتوم، 700 طريق هانسن، بالو ألتو، كاليفورنيا 94304، الولايات المتحدة الأمريكية
2شركة QC Ware Corp، بالو ألتو، كاليفورنيا 94306، الولايات المتحدة الأمريكية
3Quantum Lab، بوهرنجر إنجلهايم، 55218 إنجلهايم أم راين، ألمانيا

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

ملخص

على مدار العقود الثلاثة الماضية، تم إجراء تخفيضات كبيرة في تكلفة تقدير طاقات الحالة الأرضية للهاميلتونيين الجزيئيين باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية. ومع ذلك، لم يتم إيلاء سوى القليل من الاهتمام نسبيًا لتقدير القيم المتوقعة للأشياء القابلة للرصد الأخرى فيما يتعلق بالحالات الأساسية المذكورة، وهو أمر مهم للعديد من التطبيقات الصناعية. في هذا العمل نقدم خوارزمية كم جديدة لتقدير القيمة المتوقعة (EVE) والتي يمكن تطبيقها لتقدير القيم المتوقعة للأشياء القابلة للرصد التعسفية فيما يتعلق بأي من الحالات الذاتية للنظام. على وجه الخصوص، نحن نعتبر نوعين مختلفين من EVE: std-EVE، استنادًا إلى تقدير الطور الكمي القياسي، وQSP-EVE، الذي يستخدم تقنيات معالجة الإشارات الكمومية (QSP). نحن نقدم تحليلًا صارمًا للأخطاء لكلا المتغيرين ونقلل من عدد عوامل الطور الفردية لـ QSPEVE. تمكننا تحليلات الأخطاء هذه من إنتاج تقديرات الموارد الكمومية ذات العامل الثابت لكل من std-EVE وQSP-EVE عبر مجموعة متنوعة من الأنظمة الجزيئية والأشياء القابلة للملاحظة. بالنسبة للأنظمة التي تم النظر فيها، نوضح أن QSP-EVE يقلل من عدد بوابة (Toffoli) بما يصل إلى ثلاثة أوامر من حيث الحجم ويقلل عرض الكيوبت بنسبة تصل إلى 25% مقارنة بـ std-EVE. في حين أن أعداد الموارد المقدرة لا تزال مرتفعة للغاية بالنسبة للأجيال الأولى من أجهزة الكمبيوتر الكمومية المتسامحة مع الأخطاء، فإن تقديراتنا تمثل الأولى من نوعها لكل من تطبيق تقدير القيمة المتوقعة والتقنيات الحديثة المستندة إلى QSP.

► بيانات BibTeX

ferences المراجع

[1] ديفيد بولين، وماثيو بي هاستينغز، وديف ويكر، وناثان ويبي، وأندرو سي. دوبيرتي، وماتياس تروير. “حجم خطوة الخبب المطلوب لمحاكاة كمومية دقيقة لكيمياء الكم”. معلومات الكم. حساب. 15، 361-384 (2015).
الشبكي: / / doi.org/ 10.5555 / 2871401.2871402

[2] ماركوس ريهير ، وناثان ويب ، وكريستا إم سفور ، وديف ويكر ، وماتياس تروير. "توضيح آليات التفاعل على الحواسيب الكمومية". وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم 114 ، 7555-7560 (2017).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1619152114

[3] ريان بابوش، كريج جيدني، دومينيك دبليو بيري، ناثان ويبي، جارود ماكلين، ألكسندرو بالير، أوستن فاولر، وهارتموت نيفين. “ترميز الأطياف الإلكترونية في الدوائر الكمومية ذات التعقيد الخطي T”. المراجعة البدنية X 8، 041015 (2018).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[4] دومينيك دبليو بيري، وكريج جيدني، وماريو موتا، وجارود آر ماكلين، وريان بابوش. “Qubitization من كيمياء الكم ذات الأساس التعسفي الاستفادة من التناثر والعامل المنخفض الرتبة”. الكم 3، 208 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-12-02-208

[5] جونهو لي ، دومينيك دبليو بيري ، كريج جيدني ، ويليام جيه. هاغينز ، جارود آر ماكلين ، ناثان ويب ، وريان بابوش. "حتى أكثر كفاءة الحسابات الكمومية للكيمياء من خلال فرط توتر موتر". PRX كوانتوم 2 ، 030305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030305

[6] يوان سو ، دومينيك دبليو بيري ، ناثان ويب ، نيكولاس روبين ، وريان بابوش. "المحاكاة الكمومية المتسامحة للكيمياء في التكميم الأول". PRX كوانتوم 2 ، 040332 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040332

[7] إسحاق إتش كيم، ويي-هوا ليو، وسام باليستر، وويليام بول، وسام روبرتس، وأونسيوك لي. “تقدير الموارد المتسامحة مع الأخطاء في عمليات المحاكاة الكيميائية الكمومية: دراسة حالة على جزيئات المنحل بالكهرباء في بطارية ليثيوم أيون”. فيز. القس بحث 4، 023019 (2022).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.023019

[8] آلان ديلجادو، بابلو آم كاساريس، روبرتو دوس ريس، مودجتابا شكريان زيني، روبرتو كامبوس، نورجي كروز هيرنانديز، آرني كريستيان فويغت، أنجوس لوي، سوران جاهانجيري، إم إيه مارتن ديلجادو، جوناثان إي مولر، وخوان ميغيل أرازولا. “محاكاة الخصائص الرئيسية لبطاريات الليثيوم أيون باستخدام كمبيوتر كمي متسامح مع الأخطاء”. فيز. القس أ 106، 032428 (2022).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.106.032428

[9] فيرا فون بورغ، غوانغ هاو لو، توماس هانر، داميان س. ستيغر، ماركوس ريهر، مارتن رويتلر، وماتياس تروير. “الحوسبة الكمومية تعزز التحفيز الحسابي”. فيز. القس الدقة. 3, 033055 (2021).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.033055

[10] جوشوا جيه جوينجز، أليك وايت، جونهو لي، كريستوفر س. توتيرمان، ماتياس ديجروت، كريج جيدني، تورو شيوزاكي، ريان بابوش، ونيكولاس سي روبين. "تقييم موثوق للبنية الإلكترونية للسيتوكروم p450 على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية اليوم وأجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل". وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم 119، e2203533119 (2022).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.2203533119

[11] توماس إي أوبراين، مايكل ستريف، نيكولاس سي روبين، رافائيل سانتاغاتي، يوان سو، ويليام جيه هوجينز، جوشوا جيه جوينجز، نيكولاي مول، إليكا كيوسيفا، ماتياس ديغروت، وآخرون. “الحساب الكمي الفعال للقوى الجزيئية وتدرجات الطاقة الأخرى”. فيز. القس الدقة. 4, 043210 (2022).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.043210

[12] كريستوفر جي كريمر. "أساسيات الكيمياء الحاسوبية: النظريات والنماذج". جون وايلي وأولاده. (2013). عنوان url: https://​/​www.wiley.com/​en-cn/​Essentials+of+Computational+Chemistry:+Theories+and+Models,+2nd+Edition-p-9780470091821.
https://​/​www.wiley.com/​en-cn/​Essentials+of+الحسابية+الكيمياء:+نظريات+و+نماذج,+2nd+Edition-p-9780470091821

[13] رافاييل سانتاغاتي، آلان أسبورو جوزيك، ريان بابوش، ماتياس ديغروت، ليتيسيا غونزاليس، إليكا كيوسيفا، نيكولاج مول، ماركوس أوبل، روبرت إم باريش، نيكولاس سي روبين، مايكل ستريف، كريستوفر س. توتيرمان، هورست فايس، ناثان ويبي، و كليمنس أوتشيج أوتشيج. "تصميم الأدوية على أجهزة الكمبيوتر الكمومية" (2023). أرخايف:2301.04114.
أرخايف: 2301.04114

[14] كليفورد دبليو فونج. "نفاذية الحاجز الدموي الدماغي: الآلية الجزيئية لنقل الأدوية والمركبات المهمة من الناحية الفسيولوجية". مجلة بيولوجيا الأغشية 248، 651-669 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00232-015-9778-9

[15] إيمانويل نيل، وجيراردو أورتيز، ورولاندو د. سوما. “القياسات الكمومية المثلى للقيم المتوقعة للأشياء القابلة للرصد”. المراجعة البدنية أ 75، 012328 (2007).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.75.012328

[16] جيل براسارد، بيتر هوير، ميشيل موسكا، وآلان تاب. “تضخيم السعة الكمومية وتقديرها”. الرياضيات المعاصرة 305، 53-74 (2002).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1090 / conm / 305/05215

[17] أ. يو. كيتاييف. "القياسات الكمية ومشكلة مثبت أبليان" (1995). arXiv: كوانت ف / 9511026.
أرخايف: ضليع في الرياضيات، وعل / 9511026

[18] ديفيد بولين وباول ووكجان. “تحضير الحالات الأرضية لأنظمة الأجسام المتعددة الكمومية على حاسوب كمي”. رسائل المراجعة البدنية 102، 130503 (2009).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.102.130503

[19] ديفيد بولين، وأليكسي كيتايف، وداميان س. ستيجر، وماثيو ب. هاستينغز، وماتياس تروير. “خوارزمية الكم للقياس الطيفي مع عدد بوابة أقل”. فيز. القس ليت. 121، 010501 (2018).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.010501

[20] ييمين جي، جوردي تورا، وج. إجناسيو سيراك. “إعداد أسرع للحالة الأرضية وتقدير عالي الدقة للطاقة الأرضية مع عدد أقل من البتات الكمومية”. مجلة الفيزياء الرياضية 60، 022202 (2019).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5027484

[21] لين لين ويو تونغ. "إعداد شبه مثالي لحالة الأرض". الكم 4 ، 372 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-12-14-372

[22] رويزهي تشانغ، غومينغ وانغ، وبيتر جونسون. “حساب خصائص الحالة الأرضية باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية المبكرة المتسامحة مع الأخطاء”. الكم 6، 761 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-11-761

[23] إيمانويل نيل، وجيراردو أورتيز، ورولاندو د. سوما. “القياسات الكمومية المثلى للقيم المتوقعة للأشياء القابلة للملاحظة”. فيز. القس أ 75، 012328 (2007).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328

[24] أندراس جيلين، يوان سو، جوانج هاو لو، وناثان ويب. “تحويل القيمة المفردة الكمية وما بعدها: التحسينات الأسية لحسابات المصفوفة الكمومية”. في وقائع الندوة السنوية الحادية والخمسين لـ ACM SIGACT حول نظرية الحوسبة. ايه سي ام (51).

[25] باتريك رال. "خوارزميات الكم لتقدير الكميات الفيزيائية باستخدام ترميزات الكتلة". فيز. القس أ 102 ، 022408 (2020).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.022408

[26] ويليام ج. هوغينز، وكيانا وان، وجارود ماكلين، وتوماس إي. أوبراين، وناثان ويبي، وريان بابوش. “خوارزمية الكم المثالية تقريبًا لتقدير قيم التوقعات المتعددة”. فيز. القس ليت. 129، 240501 (2022).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.240501

[27] أرجان كورنيليسن، ياسين حمودي، وسفيان الجربي. “خوارزميات الكم شبه المثالية لتقدير المتوسط ​​​​المتعدد المتغيرات”. في وقائع الندوة السنوية الرابعة والخمسين لـ ACM SIGACT حول نظرية الحوسبة. الصفحة 54-33. STOC 43 نيويورك، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية (2022). جمعية للآلات البرمجية.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3520045

[28] غوانغ هاو لو وإسحاق إل تشوانغ. "محاكاة هاميلتونية المثلى عن طريق معالجة الإشارات الكمومية". فيز. القس ليت. 118 ، 010501 (2017).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501

[29] باتريك رال. “خوارزميات كم متماسكة أسرع لتقدير الطور والطاقة والسعة”. الكم 5، 566 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-10-19-566

[30] جون إم مارتين ، زين إم روسي ، أندرو ك. تان ، وإسحاق إل تشوانج. "التوحيد الكبير للخوارزميات الكمومية". PRX كوانتوم 2 ، 040203 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040203

[31] ويم فان دام، ج. ماورو داريانو، أرتور إيكيرت، كيارا مكيافيلو، وميشيل موسكا. “الدوائر الكمومية المثالية لتقدير الطور العام”. فيز. القس ليت. 98، 090501 (2007).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.090501

[32] جومارو ريندون، تاكو إيزوبوتشي، ويوتا كيكوتشي. “تأثيرات نافذة تناقص جيب التمام على تقدير الطور الكمي”. فيز. القس د 106، 034503 (2022).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.106.034503

[33] كوسوكي ميتاراي، كيشيرو تويويزومي، واتارو ميزوكامي. “نظرية الاضطراب مع معالجة الإشارات الكمومية”. الكم 7، 1000 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-05-12-1000

[34] دومينيك دبليو بيري، ماريا كيفيروفا، أرتور شيرير، يوفال ر. ساندرز، غوانغ هاو لو، ناثان ويبي، كريج جيدني، وريان بابوش. “تقنيات محسنة لإعداد eigenstates من هاميلتونيان الفرميونية”. معلومات الكم npj 4، 22 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-018-0071-5

[35] غوانغ هاو لو وإسحاق إل تشوانغ. "محاكاة هاميلتونيان بواسطة Qubitization". الكم 3 ، 163 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-07-12-163

[36] يولونغ دونغ ولين لين ويو تونغ. "إعداد الحالة الأرضية وتقدير الطاقة على أجهزة الكمبيوتر الكمومية المتسامحة في وقت مبكر من خلال تحويل القيمة الذاتية الكمومية للمصفوفات الوحدوية". PRX كوانتوم 3 ، 040305 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.040305

[37] إيرل تي كامبل. "المحاكاة المبكرة المتسامحة مع الخطأ لنموذج هوبارد". علوم وتكنولوجيا الكم 7 ، 015007 (2021).
https: / / doi.org / 10.1088 / 2058-9565 / ac3110

[38] ريتشارد كليف، وأرتور إيكيرت، وكيارا مكيافيلو، وميشيل موسكا. “إعادة النظر في خوارزميات الكم”. وقائع الجمعية الملكية في لندن. السلسلة أ: العلوم الرياضية والفيزيائية والهندسية 454، 339-354 (1998).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.1998.0164

[39] كريج جيدني. “خفض تكلفة الإضافة الكمية إلى النصف”. الكم 2، 74 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-06-18-74

[40] جياسو وانغ، يولونغ دونغ، ولين لين. “في مشهد الطاقة لمعالجة الإشارات الكمومية المتماثلة”. الكم 6، 850 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-11-03-850

[41] غوانغ هاو لو. “معالجة الإشارات الكمومية بواسطة ديناميكيات أحادية البت”. أطروحة الدكتوراه. معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. (2017).

[42] يولونغ دونغ، شيانغ منغ، ك. بيرجيتا والي، ولين لين. “تقييم عامل الطور الفعال في معالجة الإشارات الكمومية”. المراجعة البدنية أ 103، 042419 (2021).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.103.042419

[43] يولونغ دونغ، لين لين، هونغكانغ ني، وجياسو وانغ. "معالجة الإشارات الكمومية اللانهائية" (2022). أرخايف:2209.10162.
أرخايف: 2209.10162

[44] ديبتاركا هايت ومارتن هيد جوردون. "ما مدى دقة نظرية الكثافة الوظيفية في التنبؤ بالعزوم ثنائية القطب؟ تقييم باستخدام قاعدة بيانات جديدة تضم 200 قيمة مرجعية. مجلة النظرية الكيميائية والحساب 14، 1969-1981 (2018).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.7b01252

[45] كيمينج صن، شينغ تشانغ، سامراجني بانيرجي، بينج باو، مارك باربري، نيك س. بلانت، نيكولاي أ. هيرمان، ماثيو ر. هيرميس، كيفن كوه، بيتر كوفال، سوسي ليتولا، زيندونغ لي، جونزي ليو، ناربي مارديروسيان، جيمس د. ماكلين، ماريو موتا، باستيان موسارد، هونغ كيو فام، أرتيم بولكين، ويراوان بوروانتو، بول جي. روبنسون، إنريكو رونكا، إلفيرا ر. سايفوتياروفا، ماكسيميليان شورير، هنري ف. شوركوس، جيمس إي. سميث، تشونغ صن، شي نينغ صن، شيف أوبادهياي، لوكاس ك. فاغنر، شياو وانغ، أليك وايت، جيمس دانييل ويتفيلد، مارك جيه. ويليامسون، سيباستيان ووترز، جون يانج، جيسون إم يو، تيانيو تشو، تيموثي سي بيركلباخ، سانديب شارما، ألكسندر يو. سوكولوف، وجارنيت كين-ليك تشان. “التطورات الأخيرة في حزمة برنامج PySCF”. مجلة الفيزياء الكيميائية 153، 024109 (2020).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0006074

[46] تشيمينغ صن، تيموثي سي. بيركلباخ، نيك س. بلانت، جورج إتش. بوث، شينغ غو، زيندونغ لي، جونزي ليو، جيمس د. ماكلين، إلفيرا ر. سايفوتياروفا، سانديب شارما، سيباستيان ووترز، وغارنت كين-ليك تشان. “Pyscf: المحاكاة القائمة على بايثون لإطار الكيمياء”. WIREs العلوم الجزيئية الحسابية 8، e1340 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1002 / wcms.1340

[47] هوانشن تشاي وجارنيت كين ليك تشان. “خوارزميات مجموعة إعادة تطبيع مصفوفة الكثافة المنخفضة ذات الأداء العالي من البداية”. جيه كيم. فيز. 154، 224116 (2021).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0050902

[48] دومينيك ماركس ويورج هوتر. “الديناميات الجزيئية من البداية: النظرية والتنفيذ”. الأساليب والخوارزميات الحديثة لكيمياء الكم 1، 141 (2000).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511609633

[49] جي سي سلاتر. “التركيب الفيروسي والجزيئي”. مجلة الفيزياء الكيميائية 1، 687-691 (1933).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1749227

[50] جيفري كوهن ، ماريو موتا ، وروبرت إم باريش. "قطرية الفلتر الكمي مع هاميلتونيين مضغوط مزدوج العوامل". PRX كوانتوم 2 ، 040352 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040352

[51] غوانغ هاو لو، فاديم كليوتشنيكوف، ولوك شيفر. "تداول بوابات T للبتات القذرة في إعداد الحالة والتوليف الوحدوي" (2018). أرخايف:1812.00954.
أرخايف: 1812.00954

دليلنا يستخدم من قبل

[1] إجناسيو لوايزا وأرتور إف. إزمايلوف، "تحول التناظر غير المتغير: تقنية المعالجة المسبقة للهاميلتونيين الكميين الثانيين لتحسين تحللهم إلى التركيبة الخطية للوحدويين"، مجلة النظرية الكيميائية والحساب acs.jctc.3c00912 (2023).

[2] ألكساندر إم. دالزيل، سام مكاردل، ماريو بيرتا، برزيميسلاف بينياس، تشي-فانغ تشين، أندراس جيلين، كونور تي. هان، مايكل جيه. كاستوريانو، إميل تي. خبيبولين، ألكسندر كوبيكا، جرانت سالتون، سامسون وانغ، و فرناندو جي إس إل برانداو، "خوارزميات الكم: دراسة استقصائية للتطبيقات والتعقيدات الشاملة"، أرخايف: 2310.03011, (2023).

[3] كريستيان ل. كورتيس، ماتياس لويبيرسبيرجر، روبرت إم. باريش، سام مورلي شورت، ويليام بول، سوكين سيم، مارك ستيوتنر، كريستوفر س. توتيرمان، ماتياس ديجروت، نيكولاج مول، رافائيل سانتاجاتي، ومايكل ستريف، “خطأ -خوارزمية كمومية متسامحة لنظرية الاضطراب المتكيفة مع التناظر". أرخايف: 2305.07009, (2023).

[4] صوفيا سيمون، رافائيل سانتاغاتي، ماتياس ديجروت، نيكولاي مول، مايكل ستريف، وناثان ويب، "تحسين القياس الدقيق لمحاكاة الديناميكيات الكلاسيكية الكمومية المقترنة"، أرخايف: 2307.13033, (2023).

[5] Ignacio Loaiza و Artur F. Izmaylov، "تحول التماثل غير المتغير: تقنية المعالجة المسبقة للهاميلتونيين الكميين الثاني لتحسين تحللهم إلى مزيج خطي من الوحدويين"، أرخايف: 2304.13772, (2023).

الاستشهادات المذكورة أعلاه من خدمة Crossref's cited-by service (تم آخر تحديث بنجاح 2023-11-13 12:50:11) و إعلانات ساو / ناسا (تم آخر تحديث بنجاح 2023-11-13 12:50:12). قد تكون القائمة غير كاملة نظرًا لأن جميع الناشرين لا يقدمون بيانات اقتباس مناسبة وكاملة.

الطابع الزمني:

اكثر من مجلة الكم