Fejltolerant kvanteberegning af molekylære observabler

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Mark Steudtner¹, Sam Morley-Short¹, William Pol¹, Sukin Sim¹, Cristian L. Cortes², Matthias Loipersberger², Robert M. Parrish², Matthias Degroote³, Nikolaj Moll³, Raffaele Santagati³og Michael Streif³

¹PsiQuantum, 700 Hansen Way, Palo Alto, CA 94304, USA
²QC Ware Corp, Palo Alto, CA 94306, USA
³Quantum Lab, Boehringer Ingelheim, 55218 Ingelheim am Rhein, Tyskland

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

Abstrakt

I løbet af de sidste tre årtier er der foretaget betydelige reduktioner af omkostningerne ved at estimere grundtilstandsenergier for molekylære Hamiltonianere med kvantecomputere. Der har imidlertid været forholdsvis lidt opmærksomhed på at estimere forventningsværdierne for andre observerbare objekter med hensyn til nævnte grundtilstande, hvilket er vigtigt for mange industrielle anvendelser. I dette arbejde præsenterer vi en ny kvantealgoritme for forventningsværdiestimering (EVE), som kan anvendes til at estimere forventningsværdierne for vilkårlige observerbare med hensyn til en hvilken som helst af systemets egentilstande. Vi overvejer især to varianter af EVE: std-EVE, baseret på standard kvantefase-estimering, og QSP-EVE, som anvender kvantesignalbehandlingsteknikker (QSP). Vi leverer streng fejlanalyse for begge varianter og minimerer antallet af individuelle fasefaktorer for QSPEVE. Disse fejlanalyser sætter os i stand til at producere konstant-faktor kvanteressourceestimater for både std-EVE og QSP-EVE på tværs af en række molekylære systemer og observerbare. For de betragtede systemer viser vi, at QSP-EVE reducerer (Toffoli) gate-antal med op til tre størrelsesordener og reducerer qubit-bredden med op til 25% sammenlignet med std-EVE. Mens estimerede ressourceantal forbliver alt for høje for de første generationer af fejltolerante kvantecomputere, markerer vores estimater det første af deres slags for både anvendelsen af forventningsværdiestimering og moderne QSP-baserede teknikker.

Fejltolerant kvanteberegning af molekylære observerbare PlatoBlockchain Data Intelligence. Lodret søgning. Ai.

► BibTeX-data

@article{Steudtner2023faulttolerant, doi = {10.22331/q-2023-11-06-1164}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-11-06-1164}, title = {Fault tolerant kvanteberegning af molekylære observerbare objekter}, forfatter = {Steudtner, Mark og Morley-Short, Sam og Pol, William og Sim, Sukin og Cortes, Cristian L. og Loipersberger, Matthias og Parrish, Robert M. og Degroote, Matthias og Moll , Nikolaj og Santagati, Raffaele og Streif, Michael}, tidsskrift = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, udgiver = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften} }, bind = {7}, sider = {1164}, måned = nov, år = {2023} }

► Referencer

[1] David Poulin, Matthew B. Hastings, Dave Wecker, Nathan Wiebe, Andrew C. Doberty og Matthias Troyer. "Travtrinstørrelsen, der kræves til nøjagtig kvantesimulering af kvantekemi". Kvante info. Comput. 15, 361-384 (2015).
https:///doi.org/10.5555/2871401.2871402

[2] Markus Reiher, Nathan Wiebe, Krysta M. Svore, Dave Wecker og Matthias Troyer. "Belysning af reaktionsmekanismer på kvantecomputere". Proceedings of the National Academy of Sciences 114, 7555–7560 (2017).
https:///doi.org/10.1073/pnas.1619152114

[3] Ryan Babbush, Craig Gidney, Dominic W Berry, Nathan Wiebe, Jarrod McClean, Alexandru Paler, Austin Fowler og Hartmut Neven. "Kodning af elektroniske spektre i kvantekredsløb med lineær T-kompleksitet". Fysisk gennemgang X 8, 041015 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.8.041015

[4] Dominic W. Berry, Craig Gidney, Mario Motta, Jarrod R. McClean og Ryan Babbush. "Qubitisering af vilkårlig basis kvantekemi, der udnytter sparsitet og lav rangfaktorisering". Quantum 3, 208 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-12-02-208

[5] Joonho Lee, Dominic W. Berry, Craig Gidney, William J. Huggins, Jarrod R. McClean, Nathan Wiebe og Ryan Babbush. "Endnu mere effektive kvanteberegninger af kemi gennem tensorhyperkontraktion". PRX Quantum 2, 030305 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.030305

[6] Yuan Su, Dominic W. Berry, Nathan Wiebe, Nicholas Rubin og Ryan Babbush. "Fejltolerante kvantesimuleringer af kemi i første kvantisering". PRX Quantum 2, 040332 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.040332

[7] Isaac H. Kim, Ye-Hua Liu, Sam Pallister, William Pol, Sam Roberts og Eunseok Lee. "Fejltolerant ressourceestimat for kvantekemiske simuleringer: Casestudie om li-ion batterielektrolytmolekyler". Phys. Rev. Research 4, 023019 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.023019

[8] Alain Delgado, Pablo AM Casares, Roberto dos Reis, Modjtaba Shokrian Zini, Roberto Campos, Norge Cruz-Hernández, Arne-Christian Voigt, Angus Lowe, Soran Jahangiri, MA Martin-Delgado, Jonathan E. Mueller og Juan Miguel Arrazola. "Simulering af nøgleegenskaber for lithium-ion-batterier med en fejltolerant kvantecomputer". Phys. Rev. A 106, 032428 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.106.032428

[9] Vera von Burg, Guang Hao Low, Thomas Häner, Damian S. Steiger, Markus Reiher, Martin Roetteler og Matthias Troyer. "Kvanteberegning forbedret beregningskatalyse". Phys. Rev. Res. 3, 033055 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.033055

[10] Joshua J. Goings, Alec White, Joonho Lee, Christofer S. Tautermann, Matthias Degroote, Craig Gidney, Toru Shiozaki, Ryan Babbush og Nicholas C. Rubin. "Plidelig vurdering af den elektroniske struktur af cytochrome p450 på nutidens klassiske computere og morgendagens kvantecomputere". Proceedings of the National Academy of Sciences 119, e2203533119 (2022).
https:///doi.org/10.1073/pnas.2203533119

[11] Thomas E O'Brien, Michael Streif, Nicholas C Rubin, Raffaele Santagati, Yuan Su, William J Huggins, Joshua J Goings, Nikolaj Moll, Elica Kyoseva, Matthias Degroote, et al. "Effektiv kvanteberegning af molekylære kræfter og andre energigradienter". Phys. Rev. Res. 4, 043210 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.043210

[12] Christopher J Cramer. "Væsentlige elementer i beregningskemi: teorier og modeller". John Wiley & sønner. (2013). 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+Computational+Chemistry:+Theories+and+Models,+2nd+Edition-p-9780470091821

[13] Raffaele Santagati, Alan Aspuru-Guzik, Ryan Babbush, Matthias Degroote, Leticia Gonzalez, Elica Kyoseva, Nikolaj Moll, Markus Oppel, Robert M. Parrish, Nicholas C. Rubin, Michael Streif, Christofer S. Tautermann, Horst Weiss, Nathan Wiebe, og Clemens Utschig-Utschig. "Drug design på kvantecomputere" (2023). arXiv:2301.04114.
arXiv: 2301.04114

[14] Clifford W Fong. "Permeabilitet af blod-hjerne-barrieren: molekylær mekanisme for transport af lægemidler og fysiologisk vigtige forbindelser". The Journal of membrane biology 248, 651-669 (2015).
https://doi.org/10.1007/s00232-015-9778-9

[15] 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

[16] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca og Alain Tapp. "Kvanteamplitudeforstærkning og estimering". Contemporary Mathematics 305, 53–74 (2002).
https:///doi.org/10.1090/conm/305/05215

[17] A. Yu. Kitaev. "Kvantemålinger og det abelske stabilisatorproblem" (1995). arXiv:quant-ph/9511026.
arXiv:quant-ph/9511026

[18] David Poulin og Pawel Wocjan. "Forberedelse af grundtilstande for Quantum Mange-Krop-systemer på en Quantum Computer". Physical Review Letters 102, 130503 (2009).
https:///doi.org/10.1103/physrevlett.102.130503

[19] David Poulin, Alexei Kitaev, Damian S. Steiger, Matthew B. Hastings og Matthias Troyer. "Kvantealgoritme til spektral måling med et lavere portantal". Phys. Rev. Lett. 121, 010501 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.010501

[20] 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

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

[22] Ruizhe Zhang, Guoming Wang og Peter Johnson. "Beregning af jordtilstandsegenskaber med tidlige fejltolerante kvantecomputere". Quantum 6, 761 (2022).
https://doi.org/10.22331/q-2022-07-11-761

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

[24] 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. ACM (2019).

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

[26] William J. Huggins, Kianna Wan, Jarrod McClean, Thomas E. O'Brien, Nathan Wiebe og Ryan Babbush. "Næsten optimal kvantealgoritme til at estimere flere forventningsværdier". Phys. Rev. Lett. 129, 240501 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.240501

[27] Arjan Cornelissen, Yassine Hamoudi og Sofiene Jerbi. "Næsten-optimale kvantealgoritmer til multivariat middelværdiestimering". I Proceedings of the 54th Annual ACM SIGACT Symposium on Theory of Computing. Side 33-43. STOC 2022New York, NY, USA (2022). Foreningen for Datamaskiner.
https:///doi.org/10.1145/3519935.3520045

[28] Guang Hao Low og Isaac L. Chuang. "Optimal Hamilton-simulering ved kvantesignalbehandling". Phys. Rev. Lett. 118, 010501 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.010501

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

[30] John M. Martyn, Zane M. Rossi, Andrew K. Tan og Isaac L. Chuang. "Store forening af kvantealgoritmer". PRX Quantum 2, 040203 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.040203

[31] Wim van Dam, G. Mauro D'Ariano, Artur Ekert, Chiara Macchiavello og Michele Mosca. "Optimale kvantekredsløb til generel faseestimering". Phys. Rev. Lett. 98, 090501 (2007).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.090501

[32] Gumaro Rendon, Taku Izubuchi og Yuta Kikuchi. "Effekter af cosinus-tilspidsende vindue på kvantefaseestimering". Phys. Rev. D 106, 034503 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevD.106.034503

[33] Kosuke Mitarai, Kiichiro Toyoizumi og Wataru Mizukami. "Perturbationsteori med kvantesignalbehandling". Quantum 7, 1000 (2023).
https://doi.org/10.22331/q-2023-05-12-1000

[34] Dominic W. Berry, Mária Kieferová, Artur Scherer, Yuval R. Sanders, Guang Hao Low, Nathan Wiebe, Craig Gidney og Ryan Babbush. "Forbedrede teknikker til at forberede egentilstande af fermioniske hamiltonianere". npj Quantum Information 4, 22 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41534-018-0071-5

[35] 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

[36] Yulong Dong, Lin Lin og Yu Tong. "Grundtilstandsforberedelse og energiestimering på tidlige fejltolerante kvantecomputere via kvanteegenværditransformation af enhedsmatricer". PRX Quantum 3, 040305 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.040305

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

[38] Richard Cleve, Artur Ekert, Chiara Macchiavello og Michele Mosca. "Kvantealgoritmer genbesøgt". Proceedings fra Royal Society of London. Serie A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 454, 339–354 (1998).
https:///doi.org/10.1098/rspa.1998.0164

[39] Craig Gidney. "Halvering af omkostningerne ved kvantetilsætning". Quantum 2, 74 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-06-18-74

[40] Jiasu Wang, Yulong Dong og Lin Lin. "Om energilandskabet af symmetrisk kvantesignalbehandling". Quantum 6, 850 (2022).
https://doi.org/10.22331/q-2022-11-03-850

[41] Guang Hao lav. "Kvantesignalbehandling ved enkelt-qubit-dynamik". Ph.d.-afhandling. Massachusetts Tekniske Institut. (2017).

[42] Yulong Dong, Xiang Meng, K. Birgitta Whaley og Lin Lin. "Effektiv fase-faktor evaluering i kvantesignalbehandling". Physical Review A 103, 042419 (2021).
https:///doi.org/10.1103/physreva.103.042419

[43] Yulong Dong, Lin Lin, Hongkang Ni og Jiasu Wang. "Uendelig kvantesignalbehandling" (2022). arXiv:2209.10162.
arXiv: 2209.10162

[44] Diptarka Hait og Martin Head-Gordon. "Hvor nøjagtig er densitetsfunktionelle teori til at forudsige dipolmomenter? En vurdering ved hjælp af en ny database med 200 benchmarkværdier”. Journal of Chemical Theory and Computation 14, 1969–1981 (2018).
https:///doi.org/10.1021/acs.jctc.7b01252

[45] Qiming Sun, Xing Zhang, Samragni Banerjee, Peng Bao, Marc Barbry, Nick S. Blunt, Nikolay A. Bogdanov, George H. Booth, Jia Chen, Zhi-Hao Cui, Janus J. Eriksen, Yang Gao, Sheng Guo, Jan Hermann, Matthew R. Hermes, Kevin Koh, Peter Koval, Susi Lehtola, Zhendong Li, Junzi Liu, Narbe Mardirossian, James D. McClain, Mario Motta, Bastien Mussard, Hung Q. Pham, Artem Pulkin, Wirawan Purwanto, Paul J. Robinson, Enrico Ronca, Elvira R. Sayfutyarova, Maximilian Scheurer, Henry F. Schurkus, James ET Smith, Chong Sun, Shi-Ning Sun, Shiv Upadhyay, Lucas K. Wagner, Xiao Wang, Alec White, James Daniel Whitfield, Mark J Williamson, Sebastian Wouters, Jun Yang, Jason M. Yu, Tianyu Zhu, Timothy C. Berkelbach, Sandeep Sharma, Alexander Yu. Sokolov og Garnet Kin-Lic Chan. "Seneste udvikling i PySCF-programpakken". The Journal of Chemical Physics 153, 024109 (2020).
https:///doi.org/10.1063/5.0006074

[46] Qiming Sun, Timothy C. Berkelbach, Nick S. Blunt, George H. Booth, Sheng Guo, Zhendong Li, Junzi Liu, James D. McClain, Elvira R. Sayfutyarova, Sandeep Sharma, Sebastian Wouters og Garnet Kin-Lic Chan. "Pyscf: de python-baserede simuleringer af kemiramme". WIREs Computational Molecular Science 8, e1340 (2018).
https://doi.org/10.1002/wcms.1340

[47] Huanchen Zhai og Garnet Kin-Lic Chan. "Lav kommunikation høj ydeevne ab initio densitet matrix renormalisering gruppe algoritmer". J. Chem. Phys. 154, 224116 (2021).
https:///doi.org/10.1063/5.0050902

[48] Dominik Marx og Jurg Hutter. "Ab initio molekylær dynamik: Teori og implementering". Moderne kvantekemimetoder og algoritmer 1, 141 (2000).
https:///doi.org/10.1017/CBO9780511609633

[49] JC Slater. "Den viriale og molekylære struktur". The Journal of Chemical Physics 1, 687–691 (1933).
https:///doi.org/10.1063/1.1749227

[50] Jeffrey Cohn, Mario Motta og Robert M. Parrish. "Kvantefilterdiagonalisering med komprimerede dobbeltfaktoriserede hamiltonianere". PRX Quantum 2, 040352 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.040352

[51] Guang Hao Low, Vadym Kliuchnikov og Luke Schaeffer. "Handle T-gates for beskidte qubits i tilstandsforberedelse og enhedssyntese" (2018). arXiv:1812.00954.
arXiv: 1812.00954

Citeret af

[1] Ignacio Loaiza og Artur F. Izmaylov, "Blok-invariant symmetriskift: Forbehandlingsteknik for andenkvantiserede Hamiltonianere til at forbedre deres nedbrydning til lineær kombination af enheder", Journal of Chemical Theory and Computation acs.jctc.3c00912 (2023).

[2] Alexander M. Dalzell, Sam McArdle, Mario Berta, Przemyslaw Bienias, Chi-Fang Chen, András Gilyén, Connor T. Hann, Michael J. Kastoryano, Emil T. Khabiboulline, Aleksander Kubica, Grant Salton, Samson Wang og Fernando GSL Brandão, "Quantealgoritmer: En undersøgelse af applikationer og end-to-end kompleksiteter", arXiv: 2310.03011, (2023).

[3] Cristian L. Cortes, Matthias Loipersberger, Robert M. Parrish, Sam Morley-Short, William Pol, Sukin Sim, Mark Steudtner, Christofer S. Tautermann, Matthias Degroote, Nikolaj Moll, Raffaele Santagati og Michael Streif, “Fault -tolerant kvantealgoritme for symmetri-tilpasset forstyrrelsesteori", arXiv: 2305.07009, (2023).

[4] Sophia Simon, Raffaele Santagati, Matthias Degroote, Nikolaj Moll, Michael Streif og Nathan Wiebe, "Forbedret præcisionsskalering til simulering af koblet kvante-klassisk dynamik", arXiv: 2307.13033, (2023).

[5] Ignacio Loaiza og Artur F. Izmaylov, "Block-Invariant Symmetry Shift: Preprocessing technique for second-quantized Hamiltonians for at forbedre deres nedbrydning til lineær kombination af enheder", arXiv: 2304.13772, (2023).

Ovenstående citater er fra Crossrefs citeret af tjeneste (sidst opdateret 2023-11-13 12:50:11) og SAO/NASA ADS (sidst opdateret 2023-11-13 12:50:12). 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.

SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
Kilde: https://quantum-journal.org/papers/q-2023-11-06-1164/

Tidsstempel: November 6, 2023

Tidsstempel: Februar 8, 2024

Fejltolerant kvanteberegning af molekylære observerbare

Genudgivet af Platon

Abstrakt

► BibTeX-data

► Referencer

Citeret af

Mere fra Quantum Journal

Sammenfiltringsdynamik af fotonpar og kvantehukommelser i jordens gravitationsfelt

"korrekte" skiftregler for derivater af forstyrrede-parametriske kvanteevolutioner

Tilpasning af kvantestøjmodeller til tomografidata

XP-stabilisatorformalismen: en generalisering af Pauli-stabilisatorformalismen med vilkårlige faser

Design af kvantekanaler induceret af diagonale porte

Sammenfiltrede underrum og generisk lokal statsdiskrimination med foruddelt sammenfiltring

Superfluidmodstand mellem excitoniske polaritoner og superledende elektrongas

Samtidig estimering af flere egenværdier med kort dybde kvantekredsløb på tidlige fejltolerante kvantecomputere

Minimale ortonormale baser for ren kvantetilstandsvurdering

Om os

Vertikal søgning & Ai

perron

Stay Connected

Konto