Beregning af jordtilstandsegenskaber med tidlige fejltolerante kvantecomputere

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Ruizhe Zhang¹, Guoming Wang²og Peter Johnson²

¹Department of Computer Science, University of Texas i Austin, Austin, TX 78712, USA.
²Zapata Computing Inc., Boston, MA 02110, USA.

Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.

Abstrakt

En betydelig indsats i anvendt kvanteberegning er blevet afsat til problemet med energiestimering af grundtilstand for molekyler og materialer. Men for mange anvendelser af praktisk værdi skal yderligere egenskaber ved grundtilstanden estimeres. Disse omfatter Greens funktioner, der bruges til at beregne elektrontransport i materialer og de en-partikel-matricer med reduceret densitet, der bruges til at beregne elektriske dipoler af molekyler. I dette papir foreslår vi en kvante-klassisk hybridalgoritme til effektivt at estimere sådanne grundtilstandsegenskaber med høj nøjagtighed ved hjælp af lavdybde kvantekredsløb. Vi giver en analyse af forskellige omkostninger (kredsløbsgentagelser, maksimal udviklingstid og forventet total kørselstid) som en funktion af målnøjagtighed, spektralgab og indledende grundtilstandsoverlapning. Denne algoritme foreslår en konkret tilgang til at bruge tidlige fejltolerante kvantecomputere til at udføre industrirelevante molekylære og materialeberegninger.

Populært resumé

Tidligere var der ingen kendt måde at bruge en kortsigtet kvantecomputer til pålideligt at beregne mange nyttige egenskaber ved kvantematerialer eller molekyler. Eksisterende metoder var enten ikke pålidelige eller ikke mulige med en kortsigtet kvantecomputer. Dette papir foreslår en pålidelig metode på kort sigt til beregning af nyttige egenskaber ud over blot grundtilstandsenergien for en Hamiltonianer. Større anvendelser af dette arbejde omfatter design af materialer og molekyler og løsning af lineære ligningssystemer.

► BibTeX-data

@article{Zhang2022computingground, doi = {10.22331/q-2022-07-11-761}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2022-07-11-761}, title = {Computing {G}runde {S}tate {P}egenskaber med {E}arly {F}ault-{T}olerant {Q}uantum {C}computere}, forfatter = {Zhang, Ruizhe og Wang, Guoming og Johnson, Peter}, journal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, udgiver = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in the Quantenwissenschaften}}, volumen = {6}, sider = {761}, måned = jul, år = {2022} }

► Referencer

[1] Yudong Cao, Jhonathan Romero og Alán Aspuru-Guzik. "Potentiale af kvanteberegning til lægemiddelopdagelse". IBM Journal of Research and Development 62, 6–1 (2018).
https:///doi.org/10.1147/JRD.2018.2888987

[2] Yudong Cao, Jonathan Romero, Jonathan P Olson, Matthias Degroote, Peter D Johnson, Mária Kieferová, Ian D Kivlichan, Tim Menke, Borja Peropadre, Nicolas PD Sawaya, et al. "Kvantekemi i kvantecomputerens tidsalder". Chemical reviews 119, 10856-10915 (2019).
https:///doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00803

[3] Alán Aspuru-Guzik, Anthony D Dutoi, Peter J Love og Martin Head-Gordon. "Simuleret kvanteberegning af molekylære energier". Science 309, 1704-1707 (2005).
https://doi.org/10.1126/science.1113479

[4] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J Love, Alán Aspuru-Guzik og Jeremy L O'brien. "En variabel egenværdiopløser på en fotonisk kvanteprocessor". Naturformidling 5, 1–7 (2014).
https:///doi.org/10.1038/ncomms5213

[5] Yigal Meir og Ned S Wingreen. "Landauer formel for strømmen gennem et interagerende elektronområde". Physical review letters 68, 2512 (1992).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.2512

[6] Frank Jensen. "Introduktion til beregningskemi". John Wiley & sønner. (2017).

[7] Thomas E O'Brien, Bruno Senjean, Ramiro Sagastizabal, Xavier Bonet-Monroig, Alicja Dutkiewicz, Francesco Buda, Leonardo DiCarlo og Lucas Visscher. "Beregning af energiderivater til kvantekemi på en kvantecomputer". npj Quantum Information 5, 1–12 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0213-4

[8] Andris Ambainis. "Om fysiske problemer, der er lidt sværere end qma". I 2014 IEEE 29th Conference on Computational Complexity (CCC). Side 32-43. (2014).
https:///doi.org/10.1109/CCC.2014.12

[9] Sevag Gharibian og Justin Yirka. "Kompleksiteten ved at simulere lokale målinger på kvantesystemer". Quantum 3, 189 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-09-30-189

[10] Sevag Gharibian, Stephen Piddock og Justin Yirka. "Oracle kompleksitetsklasser og lokale målinger på fysiske Hamiltonianere". I Christophe Paul og Markus Bläser, redaktører, 37th International Symposium on Theoretical Aspects of Computer Science (STACS 2020). Bind 154 af Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs), side 20:1–20:37. Dagstuhl, Tyskland (2020). Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum für Informatik.
https:///doi.org/10.4230/LIPIcs.STACS.2020.20

[11] David Poulin og Pawel Wocjan. "Forberedelse af grundtilstande for kvante-mange-kropssystemer på en kvantecomputer". Physical review letters 102, 130503 (2009).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.130503

[12] Yimin Ge, Jordi Tura og J Ignacio Cirac. "Hurtigere grundtilstandsforberedelse og jordenergiestimering med høj præcision med færre qubits". Journal of Mathematical Physics 60, 022202 (2019).
https:///doi.org/10.1063/1.5027484

[13] Lin Lin og Yu Tong. "Næsten optimal grundtilstandsforberedelse". Quantum 4, 372 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-14-372

[14] Sam McArdle, Alexander Mayorov, Xiao Shan, Simon Benjamin og Xiao Yuan. "Digital kvantesimulering af molekylære vibrationer". Chemical science 10, 5725–5735 (2019).
https:///doi.org/10.1039/C9SC01313J

[15] Jérôme F. Gonthier, Maxwell D. Radin, Corneliu Buda, Eric J. Doskocil, Clena M. Abuan og Jhonathan Romero. "Identificering af udfordringer i retning af praktisk kvantefordel gennem ressourceestimering: målevejspærringen i den variationelle kvanteegenopløser" (2020). arXiv:2012.04001.
arXiv: 2012.04001

[16] Guoming Wang, Dax Enshan Koh, Peter D Johnson og Yudong Cao. "Minimering af estimeret runtime på støjende kvantecomputere". PRX Quantum 2, 010346 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.010346

[17] Ryan Babbush, Jarrod R McClean, Michael Newman, Craig Gidney, Sergio Boixo og Hartmut Neven. "Fokus ud over kvadratiske speedups for fejlkorrigeret kvantefordel". PRX Quantum 2, 010103 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.010103

[18] Kyle EC Booth, Bryan O'Gorman, Jeffrey Marshall, Stuart Hadfield og Eleanor Rieffel. "Kvante-accelereret begrænsningsprogrammering". Quantum 5, 550 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-09-28-550

[19] Earl T Campbell. "Tidlige fejltolerante simuleringer af Hubbard-modellen". Quantum Science and Technology 7, 015007 (2021).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/ac3110

[20] Lin Lin og Yu Tong. "Heisenberg-begrænset jordtilstandsenergiestimering for tidlige fejltolerante kvantecomputere". PRX Quantum 3, 010318 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.010318

[21] David Layden. "Førsteordens travfejl fra et andenordens perspektiv". Phys. Rev. Lett. 128, 210501 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.210501

[22] Rolando D Somma. "Kvanteegenværdiestimering via tidsserieanalyse". New Journal of Physics 21, 123025 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab5c60

[23] Laura Clinton, Johannes Bausch, Joel Klassen og Toby Cubitt. "Faseestimering af lokale hamiltonianere på nisq hardware" (2021). arXiv:2110.13584.
arXiv: 2110.13584

[24] Patrick Rall. "Hurtigere sammenhængende kvantealgoritmer til fase-, energi- og amplitudeestimering". Quantum 5, 566 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-10-19-566

[25] Dominic W Berry, Andrew M Childs, Richard Cleve, Robin Kothari og Rolando D Somma. "Simulering af Hamiltonsk dynamik med en trunkeret taylor-serie". Physical review letters 114, 090502 (2015). url: doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.090502.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.090502

[26] Guang Hao Low og Isaac L Chuang. "Optimal Hamilton-simulering ved kvantesignalbehandling". Physical review letters 118, 010501 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.010501

[27] Andrew M Childs, Dmitri Maslov, Yunseong Nam, Neil J Ross og Yuan Su. "Mod den første kvantesimulering med kvantehastighed". Proceedings of the National Academy of Sciences 115, 9456–9461 (2018).
https:///doi.org/10.1073/pnas.1801723115

[28] Guang Hao Low og Isaac L Chuang. "Hamiltonsk simulering ved qubitization". Quantum 3, 163 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-12-163

[29] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz og Rolando D Somma. "Optimale kvantemålinger af forventningsværdier for observerbare". Physical Review A 75, 012328 (2007).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.75.012328

[30] James D. Watson, Johannes Bausch og Sevag Gharibian. "Kompleksiteten af translationelt invariante problemer ud over jordtilstandsenergier" (2020). arXiv:2012.12717.
arXiv: 2012.12717

[31] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J Love, Alán Aspuru-Guzik og Jeremy L O'brien. "En variabel egenværdiopløser på en fotonisk kvanteprocessor". Naturformidling 5, 1–7 (2014).
https:///doi.org/10.1038/ncomms5213

[32] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush og Alán Aspuru-Guzik. "Teorien om variationelle hybride kvante-klassiske algoritmer". New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/2/023023

[33] Attila Szabo og Neil S Ostlund. "Moderne kvantekemi: introduktion til avanceret elektronisk strukturteori". Kurerselskab. (2012).

[34] Sevag Gharibian og François Le Gall. "Afkvantisering af kvante-singularværditransformationen: Hårdhed og anvendelser til kvantekemi og kvante-pcp-formodningen". I Proceedings of the 54th Annual ACM SIGACT Symposium on Theory of Computing. Side 19-32. (2022).
https:///doi.org/10.1145/3519935.3519991

[35] Shantanav Chakraborty, András Gilyén og Stacey Jeffery. "Kraften ved blokkodede matrixkræfter: Forbedrede regressionsteknikker via hurtigere Hamilton-simulering". I Christel Baier, Ioannis Chatzigiannakis, Paola Flocchini og Stefano Leonardi, redaktører, 46th International Colloquium on Automata, Languages and Programming (ICALP 2019). Bind 132 af Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs), side 33:1–33:14. Dagstuhl, Tyskland (2019). Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum fuer Informatik.
https:///doi.org/10.4230/LIPIcs.ICALP.2019.33

[36] András Gilyén, Yuan Su, Guang Hao Low og Nathan Wiebe. "Kvante-singular værditransformation og videre: eksponentielle forbedringer for kvantematrix-aritmetik". I Proceedings of the 51st Annual ACM SIGACT Symposium on Theory of Computing. Side 193–204. (2019).
https:///doi.org/10.1145/3313276.3316366

[37] Patrick Rall. "Kvantealgoritmer til estimering af fysiske mængder ved hjælp af blokkodninger". Fysisk anmeldelse A 102, 022408 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.102.022408

[38] Yu Tong, Dong An, Nathan Wiebe og Lin Lin. "Hurtig inversion, forudkonditionerede kvante-lineære systemløsere, hurtig beregning af grønne funktioner og hurtig evaluering af matrixfunktioner". Physical Review A 104, 032422 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.104.032422

[39] Julia E Rice, Tanvi P Gujarati, Mario Motta, Tyler Y Takeshita, Eunseok Lee, Joseph A Latone og Jeannette M Garcia. "Kvanteberegning af dominerende produkter i lithium-svovl-batterier". The Journal of Chemical Physics 154, 134115 (2021).
https:///doi.org/10.1063/5.0044068

[40] Trygve Helgaker, Poul Jørgensen og Jeppe Olsen. "Molekylær elektronisk strukturteori". John Wiley & sønner. (2014).
https:///doi.org/10.1002/9781119019572

[41] Jacob T Seeley, Martin J Richard og Peter J Love. "Bravyi-kitaev-transformationen til kvanteberegning af elektronisk struktur". The Journal of Chemical Physics 137, 224109 (2012).
https:///doi.org/10.1063/1.4768229

[42] Aram W Harrow, Avinatan Hassidim og Seth Lloyd. "Kvantealgoritme for lineære ligningssystemer". Physical review letters 103, 150502 (2009).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.150502

[43] Andrew M Childs, Robin Kothari og Rolando D Somma. "Kvantealgoritme for systemer af lineære ligninger med eksponentielt forbedret afhængighed af præcision". SIAM Journal on Computing 46, 1920–1950 (2017).
https:///doi.org/10.1137/16M1087072

[44] Carlos Bravo-Prieto, Ryan LaRose, M. Cerezo, Yigit Subasi, Lukasz Cincio og Patrick J. Coles. "Variationel kvantelineær løser" (2019). arXiv:1909.05820.
arXiv: 1909.05820

[45] Hsin-Yuan Huang, Kishor Bharti og Patrick Rebentrost. "Nærsigtede kvantealgoritmer til lineære ligningssystemer med regressionstabsfunktioner". New Journal of Physics 23, 113021 (2021).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac325f

[46] Yiğit Subaşı, Rolando D Somma og Davide Orsucci. "Kvantealgoritmer til systemer af lineære ligninger inspireret af adiabatisk kvanteberegning". Physical review letters 122, 060504 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.060504

[47] Dong An og Lin Lin. "Quantelineær systemløser baseret på tidsoptimal adiabatisk kvanteberegning og kvantetilnærmet optimeringsalgoritme". ACM Transactions on Quantum Computing 3 (2022).
https:///doi.org/10.1145/3498331

[48] Lin Lin og Yu Tong. "Optimal polynomiebaseret kvanteegentilstandsfiltrering med anvendelse til løsning af kvantelineære systemer". Quantum 4, 361 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-11-11-361

[49] Rolando D Somma og Sergio Boixo. "Spektral mellemrumsforstærkning". SIAM Journal on Computing 42, 593–610 (2013).
https:///doi.org/10.1137/120871997

[50] Yosi Atia og Dorit Aharonov. "Hurtig-forwarding af hamiltonians og eksponentielt præcise målinger". Naturformidling 8, 1–9 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41467-017-01637-7

[51] Brielin Brown, Steven T Flammia og Norbert Schuch. "Beregningsmæssige vanskeligheder ved at beregne tætheden af stater". Physical review letters 107, 040501 (2011).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.040501

[52] Stephen P Jordan, David Gosset og Peter J Love. "Quantum-merlin-arthur-komplette problemer for stoquastiske hamiltonianere og markovmatricer". Fysisk anmeldelse A 81, 032331 (2010).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.81.032331

[53] Sevag Gharibian og Jamie Sikora. "Ground state connectivity of local hamiltonians". ACM Trans. Comput. Teori 10 (2018).
https:///doi.org/10.1145/3186587

[54] James D. Watson og Johannes Bausch. "Kompleksiteten ved at tilnærme kritiske punkter i kvantefaseovergange" (2021). arXiv:2105.13350.
arXiv: 2105.13350

Citeret af

[1] Pablo AM Casares, Roberto Campos og MA Martin-Delgado, "TFermion: A non-Clifford gate cost assessment library of quantum phase estimation algorithms for quantum chemistry", Quantum 6 (768).

[2] Yu Tong, "Design af algoritmer til estimering af grundtilstandsegenskaber på tidlige fejltolerante kvantecomputere", Quantum Views 6, 65 (2022).

[3] Yulong Dong, Lin Lin og Yu Tong, "Grundtilstandsforberedelse og energiestimering på tidlige fejltolerante kvantecomputere via kvanteegenværditransformation af enhedsmatricer", arXiv: 2204.05955.

[4] Peter D. Johnson, Alexander A. Kunitsa, Jérôme F. Gonthier, Maxwell D. Radin, Corneliu Buda, Eric J. Doskocil, Clena M. Abuan og Jhonathan Romero, "Reducing the cost of energy estimering in the variational kvanteegenopløseralgoritme med robust amplitudeestimering", arXiv: 2203.07275.

[5] Guoming Wang, Sukin Sim og Peter D. Johnson, "State Preparation Boosters for Early Fault-Tolerant Quantum Computation", arXiv: 2202.06978.

Ovenstående citater er fra Crossrefs citeret af tjeneste (sidst opdateret 2022-07-28 15:34:04) og SAO/NASA ADS (sidst opdateret 2022-07-28 15:34:05). Listen kan være ufuldstændig, da ikke alle udgivere leverer passende og fuldstændige citatdata.

Dette papir er udgivet i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Ophavsretten forbliver hos de originale copyright-indehavere, såsom forfatterne eller deres institutioner.