تحضير الحالة الكمومية منخفضة العمق بكفاءة الزمكان مع التطبيقات

تحضير الحالة الكمومية منخفضة العمق بكفاءة الزمكان مع التطبيقات

كايوين غوي1,2,3، الكسندر م. دالزيل4، أليساندرو أشيل5، مارتن سوشارا1و فريدريك تي تشونغ3

1أمازون ويب سيرفيسز، واشنطن، الولايات المتحدة الأمريكية
2كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية، جامعة شيكاغو، إلينوي، الولايات المتحدة الأمريكية
3قسم علوم الحاسوب، جامعة شيكاغو، إلينوي، الولايات المتحدة الأمريكية
4AWS Center for Quantum Computing ، باسادينا ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية
5مختبرات AWS للذكاء الاصطناعي، باسادينا، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية

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

ملخص

نقترح طريقة حتمية جديدة لإعداد الحالات الكمومية التعسفية. عندما يتم تجميع بروتوكولنا في CNOT وبوابات أحادية الكم، فإنه يقوم بإعداد حالة ذات أبعاد $N$ في العمق $O(log(N))$ و$textit{spacetimeتخصيص}$ (مقياس يفسر حقيقة أنه في كثير من الأحيان لا يلزم أن تكون بعض البتات الملحقة نشطة للدائرة بأكملها) $O(N)$، وكلاهما مثالي. عند تجميعها في مجموعة البوابات ${mathrm{H,S,T,CNOT}}$، نوضح أنها تتطلب موارد كمومية أقل بشكل مقارب من الطرق السابقة. على وجه التحديد، يقوم بإعداد حالة تعسفية تصل إلى الخطأ $epsilon$ مع العمق الأمثل $O(log(N) + log (1/epsilon))$ وتخصيص الزمكان $O(Nlog(log(N)/epsilon))$ ، وتحسين ما يزيد عن $O(log(N)log(log (N)/epsilon))$ و$O(Nlog(N/epsilon))$، على التوالي. نوضح كيف أن تخصيص الزمكان المنخفض لبروتوكولنا يتيح الإعداد السريع للعديد من الحالات المنفصلة مع الحمل الإضافي للعامل الثابت فقط - يتم إعادة استخدام البتات الإضافية $O(N)$ بكفاءة لإعداد حالة منتج ذات أبعاد $w$ $N$ يوضح بعمق $O(w + log(N))$ بدلاً من $O(wlog(N))$، مما يحقق عمقًا ثابتًا فعالاً لكل حالة. نسلط الضوء على العديد من التطبيقات التي قد تكون فيها هذه القدرة مفيدة، بما في ذلك التعلم الآلي الكمي، والمحاكاة الهاملتونية، وحل أنظمة المعادلات الخطية. نحن نقدم أوصاف الدوائر الكمومية لبروتوكولنا، والكود الزائف التفصيلي، وأمثلة التنفيذ على مستوى البوابة باستخدام Braket.

► بيانات BibTeX

ferences المراجع

[1] جاكوب بيامونتي وبيتر ويتيك ونيكولا بانكوتي وباتريك ريبنتروست وناثان ويب وسيث لويد. "التعلم الآلي الكمي". طبيعة 549 ، 195-202 (2017).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1038 / nature23474

[2] سيث لويد ومسعود محسني وباتريك ريبنتروست. "تحليل المكون الأساسي الكم". فيزياء الطبيعة 10 ، 631-633 (2014).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1038 / nphys3029

[3] يوردانيس كيرينيديس وأنوبام براكاش. “أنظمة التوصية الكمومية”. في المؤتمر الثامن للابتكارات في علوم الكمبيوتر النظرية (ITCS 8). المجلد 2017 من إجراءات لايبنيز الدولية في المعلوماتية (LIPIcs)، الصفحات 67:49–1:49. (21).
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.ITCS.2017.49

[4] باتريك ريبينتروست، وأدريان ستيفنز، وإيمان مارفيان، وسيث لويد. “تحليل القيمة المفردة الكمية للمصفوفات ذات الرتبة المنخفضة غير المتفرقة”. المراجعة البدنية أ 97، 012327 (2018).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.012327

[5] يوردانيس كيرينيديس، وجوناس لاندمان، وأليساندرو لونغو، وأنوبام براكاش. “يعني q: خوارزمية كمومية للتعلم الآلي غير الخاضع للرقابة”. التقدم في أنظمة معالجة المعلومات العصبية (2019).
https:/​/​proceedings.neurips.cc/​paper/​2019/​hash/​16026d60ff9b54410b3435b403afd226-Abstract.html

[6] يوردانيس كيرينيديس وجوناس لاندمان. “التجميع الطيفي الكمي”. المراجعة البدنية أ 103، 042415 (2021).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.042415

[7] باتريك ريبينتروست، مسعود محسني، وسيث لويد. “آلة ناقلات الدعم الكمي لتصنيف البيانات الضخمة”. رسائل المراجعة البدنية 113، 130503 (2014).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.113.130503

[8] ماريا شولد وفرانشيسكو بيتروتشيوني. “التعلم الآلي مع أجهزة الكمبيوتر الكمومية”. سبرينغر. (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-030-83098-4

[9] دومينيك دبليو بيري، وأندرو إم تشايلدز، وريتشارد كليف، وروبن كوثاري، ورولاندو دي سوما. “محاكاة ديناميات هاميلتون مع سلسلة تايلور مبتورة”. رسائل المراجعة البدنية 114، 090502 (2015).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.090502

[10] دومينيك دبليو بيري وأندرو إم تشايلدز وروبن كوثاري. "محاكاة هاميلتون مع الاعتماد الأمثل تقريبًا على جميع المعلمات". في عام 2015، عقدت الندوة السنوية السادسة والخمسون لـ IEEE حول أسس علوم الكمبيوتر. الصفحات 56-792. إيي (809).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1109 / FOCS.2015.54

[11] غوانغ هاو لو وإسحاق إل تشوانغ. “محاكاة هاميلتونية مثالية عن طريق معالجة الإشارات الكمومية”. خطابات المراجعة البدنية 118، 010501 (2017).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501

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

[13] أرام وهارو وأفيناتان هسيديم وسيث لويد. "خوارزمية الكم لأنظمة المعادلات الخطية". خطابات المراجعة المادية 103 ، 150502 (2009).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502

[14] أندريس أمبانيس. “تضخيم السعة الزمنية المتغيرة والخوارزميات الكمومية لمشاكل الجبر الخطي”. في STACS'12 (الندوة التاسعة والعشرون حول الجوانب النظرية لعلوم الكمبيوتر). المجلد 29، الصفحات 14-636. ليبيك (647).
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.STACS.2012.636

[15] ليونارد ووسنيغ، وزيكوان تشاو، وأنوبام براكاش. “خوارزمية النظام الخطي الكمي للمصفوفات الكثيفة”. خطابات المراجعة البدنية 120، 050502 (2018).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.050502

[16] غوانغ هاو لو، فاديم كليوتشنيكوف، ولوك شيفر. “تداول بوابات T للبتات القذرة في إعداد الحالة والتوليف الوحدوي”. arXiv.1812.00954 (2018).
https: / / doi.org/10.48550 / arXiv.1812.00954

[17] شياو مينغ صن، وجوجينغ تيان، وشواي يانغ، وبي يوان، وشينغيو تشانغ. “عمق الدائرة الأمثل غير المقارب لإعداد الحالة الكمومية والتوليف الوحدوي العام”. معاملات IEEE حول التصميم بمساعدة الكمبيوتر للدوائر والأنظمة المتكاملة (2023).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TCAD.2023.3244885

[18] باي يوان وشينغيو تشانغ. “الإعداد الأمثل (المتحكم فيه) للحالة الكمومية والتوليف الوحدوي المحسن بواسطة الدوائر الكمومية مع أي عدد من البتات المساعدة”. الكم 7، 956 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-03-20-956

[19] شياو مينغ تشانغ، تونغيانغ لي، وشياو يوان. “إعداد الحالة الكمومية بعمق الدائرة الأمثل: التنفيذ والتطبيقات”. رسائل المراجعة البدنية 129، 230504 (2022).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.230504

[20] بي ديفيد كلادر، وألكسندر إم دالزيل، ونيكيتاس ستاماتوبولوس، وغرانت سالتون، وماريو بيرتا، ووليام جيه تسنغ. “الموارد الكمية المطلوبة لتشفير مصفوفة من البيانات الكلاسيكية”. معاملات IEEE حول هندسة الكم (2023).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2022.3231194

[21] غريغوري روزنتال. “الاستعلام عن الحدود العليا للعمق والحدود الكمومية عبر بحث جروفر”. arXiv.2111.07992 (2021).
https: / / doi.org/10.48550 / arXiv.2111.07992

[22] نيل جيه روس وبيتر سيلينجر. “التقريب الأمثل لـ Clifford + T الخالي من الأنسيلا لدورات z”. معلومات الكم. حساب. (2016).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 3179330.3179331

[23] 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

[24] إسرائيل إف أروجو، ودانيال كيه بارك، وفرانشيسكو بيتروتشيوني، وأدينيلتون جيه دا سيلفا. “خوارزمية فرق تسد لإعداد الحالة الكمومية”. التقارير العلمية 11، 1-12 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-021-85474-1

[25] فيفيك ف. شندي وإيجور إل ماركوف. “على تكلفة CNOT لبوابات TOFFOLI”. معلومات الكم. حساب. (2009).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 2011791.2011799

[26] جون سمولين وديفيد بي ديفينسينزو. "خمس بوابات كمومية ثنائية البت كافية لتنفيذ بوابة فريدكين الكمومية". المراجعة البدنية أ 53، 2855 (1996).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.53.2855

[27] إدوارد ووكر. “التكلفة الحقيقية لساعة وحدة المعالجة المركزية”. الكمبيوتر 42، 35-41 (2009).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1109 / MC.2009.135

[28] يونغشان دينغ، وشين تشوان وو، وآدم هولمز، وآش وايزيث، وديانا فرانكلين، ومارغريت مارتونوسي، وفريدريك تي تشونغ. “المربع: إعادة استخدام الكم الإضافي الاستراتيجي للبرامج الكمومية المعيارية من خلال عدم الحساب الفعال من حيث التكلفة”. في عام 2020، الندوة الدولية السنوية السابعة والأربعون ACM/IEEE حول هندسة الكمبيوتر (ISCA). الصفحات 47-570. معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (583).
https: / / doi.org/ 10.1109 / ISCA45697.2020.00054

[29] مارتن بليش وساسلاف بروكنر. "إعداد الحالة الكمومية مع تحلل البوابة الشاملة". فيز. القس أ 83 ، 032302 (2011).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.032302

[30] شياو مينغ تشانغ وشياو يوان. “حول تعقيد الدوائر لنماذج الوصول الكمومي لتشفير البيانات الكلاسيكية”. arXiv.2311.11365 (2023).
https: / / doi.org/10.48550 / arXiv.2311.11365

[31] مايكل أ نيلسن وإسحاق تشوانغ. "الحساب الكمي والمعلومات الكمومية". الرابطة الأمريكية لمدرسي الفيزياء. (2002).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[32] سيباستيان رودر. “نظرة عامة على خوارزميات تحسين النسب المتدرجة”. arXiv.1609.04747 (2016).
https: / / doi.org/10.48550 / arXiv.1609.04747

[33] أندرو إم تشايلدز وديمتري ماسلوف ويونسونج نام ونيل جيه روس ويوان سو. "نحو أول محاكاة كمومية مع تسريع كمي". وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم 115 ، 9456-9461 (2018).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1801723115

[34] شانتاناف تشاكرابورتي، وأندراس جيلين، وستيسي جيفري. “قوة قوى المصفوفة المشفرة بالكتل: تقنيات الانحدار المحسنة عبر محاكاة هاميلتونية أسرع”. في وقائع الندوة الدولية السادسة والأربعين حول الأتمتة واللغات والبرمجة (ICALP). الصفحات 46: 33-1: 33. (14).
الشبكي: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.ICALP.2019.33

[35] أندراس جيلين، يوان سو، جوانج هاو لو، وناثان ويب. “تحويل القيمة المفردة الكم وما بعدها: التحسينات الأسية لحسابات المصفوفة الكمومية”. في وقائع ندوة ACM الحادية والخمسين حول نظرية الحوسبة (STOC). الصفحات 51-193. (204).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1145 / 3313276.3316366

[36] Trygve Helgaker و Poul Jorgensen و Jeppe Olsen. "نظرية التركيب الإلكتروني الجزيئي". جون وايلي وأولاده. (2013).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1002 / 9781119019572

[37] ماريو موتا، تانفي بي غوجاراتي، جوليا إي رايس، أشوتوش كومار، كونر ماستران، جوزيف إيه لاتون، إيونسوك لي، إدوارد إف فالييف، وتايلر واي تاكيشيتا. “المحاكاة الكمومية للبنية الإلكترونية مع هاميلتونيان المترابط: تحسين الدقة مع بصمة أصغر على الكمبيوتر الكمومي”. الكيمياء الفيزيائية الفيزياء الكيميائية 22، 24270-24281 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1039 / D0CP04106H

[38] سام مكاردل وديفيد بي تيو. “تحسين دقة الكيمياء الحسابية الكمومية باستخدام الطريقة المترابطه”. arXiv.2006.11181 (2020).
https: / / doi.org/10.48550 / arXiv.2006.11181

[39] سيباستيان بوبيك وسيتان تشين وجيري لي. "التشابك ضروري لاختبار الخصائص الكمومية الأمثل". في عام 2020، الندوة السنوية الحادية والستون لـ IEEE حول أسس علوم الكمبيوتر (FOCS). الصفحات 61-692. معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (703).
https: / / doi.org/10.1109 / FOCS46700.2020.00070

[40] سيتان تشين، جوردان كوتلر، هسين يوان هوانغ، وجيري لي. “الفصل الأسي بين التعلم بالذاكرة الكمومية وبدونها”. في عام 2021، الندوة السنوية الثانية والستون لـ IEEE حول أسس علوم الكمبيوتر (FOCS). الصفحات 62-574. معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (585).
https: / / doi.org/10.1109 / FOCS52979.2021.00063

[41] هسين يوان هوانغ ، مايكل بروتون ، جوردان كوتلر ، سيتان تشين ، جيري لي ، مسعود محسني ، هارتموت نيفين ، رايان بابوش ، ريتشارد كينج ، جون بريسكيل ، وآخرون. "ميزة الكم في التعلم من التجارب". العلوم 376 ، 1182-1186 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.abn7293

[42] جوناثان ريتشارد شيوتشوك وآخرون. "مقدمة لطريقة التدرج المترافق دون ألم مؤلم". 1994 التقرير الفني (1994).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 865018

[43] أشلي مونتانارو وسام باليستر. “خوارزميات الكم وطريقة العناصر المحدودة”. المراجعة البدنية أ 93، 032324 (2016).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.93.032324

[44] أشلي مونتانارو وتشانجبينج شاو. “تعقيد الاتصال الكمي للانحدار الخطي”. ايه سي ام ترانس. حساب. النظرية (2023).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1145 / 3625225

[45] يجيت سوباشي، رولاندو د. سوما، وديفيد أورسوتشي. “خوارزميات الكم لأنظمة المعادلات الخطية المستوحاة من الحوسبة الكمومية الأديباتية”. فيز. القس ليت. 122، 060504 (2019).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.060504

[46] بيدرو سي إس كوستا، ودونج آن، ويوفال آر ساندرز، ويوان سو، وريان بابوش، ودومينيك دبليو بيري. “التحجيم الأمثل للأنظمة الخطية الكمومية عبر نظرية ثابتة الحرارة المنفصلة”. بي آر إكس كوانتوم 3، 040303 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.040303

[47] جون إم مارتين ، زين إم روسي ، أندرو ك. تان ، وإسحاق إل تشوانج. "التوحيد الكبير للخوارزميات الكمومية". PRX كوانتوم 2 ، 040203 (2021).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[48] كريج جيدني. “Quirk: محاكاة دائرة الكم بالسحب والإسقاط”. https://algassert.com/quirk (2016).
https://algassert.com/quirk

[49] ألكسندر إم دالزيل، بي ديفيد كلادر، جرانت سالتون، ماريو بيرتا، سيدريك ين يو لين، ديفيد أ بدر، نيكيتاس ستاماتوبولوس، مارتن جيه إيه شويتز، فرناندو جي إس إل برانداو، هيلموت جي كاتزجرابر، وآخرون. “تحليل الموارد الشامل لأساليب النقاط الداخلية الكمومية وتحسين المحفظة”. بي آر إكس كوانتوم 4، 040325 (2023).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.4.040325

دليلنا يستخدم من قبل

[1] 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).

[2] راجاف جوماد ونيكولاس بي دي ساوايا، "غالبًا ما تكون البيانات قابلة للتحميل بعمق قصير: دوائر كمومية من شبكات موتر للتمويل والصور والسوائل والبروتينات"، أرخايف: 2309.13108, (2023).

[3] جدعون لي، كونور تي. هان، شروتي بوري، إس إم جيرفين، وليانج جيانغ، "قمع الأخطاء في العمليات الكمية للصندوق الأسود ذات الحجم العشوائي"، خطابات المراجعة البدنية 131 19 ، 190601 (2023).

[4] جريجوري روزنتال، "توليف الحالة الكمومية الفعالة باستخدام استعلام واحد"، أرخايف: 2306.01723, (2023).

[5] شياو مينغ تشانغ وشياو يوان، "حول تعقيد الدوائر لنماذج الوصول الكمي لتشفير البيانات الكلاسيكية"، أرخايف: 2311.11365, (2023).

الاستشهادات المذكورة أعلاه من إعلانات ساو / ناسا (تم آخر تحديث بنجاح 2024-02-15 15:17:11). قد تكون القائمة غير كاملة نظرًا لأن جميع الناشرين لا يقدمون بيانات اقتباس مناسبة وكاملة.

لا يمكن أن تجلب استشهد تبادل البيانات أثناء آخر محاولة 2024-02-15 15:17:09: لا يمكن جلب البيانات المستشهد بها من 10.22331 / q-2024-02-15-1257 من Crossref. هذا أمر طبيعي إذا تم تسجيل DOI مؤخرًا.

الطابع الزمني:

اكثر من مجلة الكم