Overhead-begrænset kredsløbsstrik til variationskvantedynamik

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Gian Gentinetta, Friederike Metzog Giuseppe Carleo

Institut for Fysik, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Schweiz
Center for Quantum Science and Engineering, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Schweiz

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

Abstrakt

Simulering af dynamikken i store kvantesystemer er en formidabel, men vital stræben for at opnå en dybere forståelse af kvantemekaniske fænomener. Mens kvantecomputere har et stort løfte om at fremskynde sådanne simuleringer, forbliver deres praktiske anvendelse hæmmet af begrænset skala og gennemgående støj. I dette arbejde foreslår vi en tilgang, der løser disse udfordringer ved at anvende kredsløbsstrik til at opdele et stort kvantesystem i mindre undersystemer, der hver især kan simuleres på en separat enhed. Udviklingen af systemet styres af den projicerede variationel kvantedynamik (PVQD) algoritme, suppleret med begrænsninger på parametrene for det variationelle kvantekredsløb, hvilket sikrer, at sampling overhead pålagt af kredsløbsstrikningsplanen forbliver kontrollerbar. Vi tester vores metode på kvantespinsystemer med flere svagt sammenfiltrede blokke, der hver består af stærkt korrelerede spins, hvor vi er i stand til nøjagtigt at simulere dynamikken, samtidig med at sampling-overhead holdes håndterbar. Yderligere viser vi, at den samme metode kan bruges til at reducere kredsløbsdybden ved at skære langtrækkende porte.

Overhead-begrænset kredsløbsstrik til variation af kvantedynamik PlatoBlockchain Data Intelligence. Lodret søgning. Ai.

Udvalgt billede: Vi udvikler tilstanden $|psi(varphi_{t-1})rangle$ med et tidstrin $Delta t$, mens vi holder strukturen af ansatzen fast. Dette opnås ved at optimere variationsparametrene $varphi$ således, at troskaben mellem den udviklede tilstand $e^{-iHDelta t}|psi(varphi_{t-1})rangle$ og ansatz $|psi(varphi)rangle$ er maksimeret. For at måle troskaben på kvanteenhederne skærer vi det globale kvantekredsløb i underkredsløb ved hjælp af kredsløbsstrik. Dette kommer på bekostning af en samplingsoverhead $omega(varphi)$, der afhænger af variationsparametrene. For at kontrollere overheaden projicerer vi parametrene tilbage i underrummet, hvor $omega(varphi) leq tau$ for en vis tærskel $tau$ efter hvert optimeringstrin.

Populært resumé

I dette arbejde simulerer vi realtidsdynamikken i kvante-mangelegemesystemer sammensat af flere svagt korrelerede undersystemer ved at distribuere undersystemerne på flere kvanteenheder. Dette opnås med en teknik kendt som kredsløbsstrik, der nedbryder en global kvantekanal til lokalt realiserbare kanaler gennem en kvasi-sandsynlighedsfordeling. På bekostning af en overhead i antallet af målinger giver dette mulighed for klassisk at rekonstruere sammenfiltringen mellem de forskellige delsystemer. Generelt skalerer prøvetagningsoverhead eksponentielt i simuleringstiden på grund af sammenfiltringen mellem undersystemer, der vokser over tid.

Som hovedbidraget i vores arbejde modificerer vi en variationskvantetidsudviklingsalgoritme (PVQD) ved at begrænse variationsparametrene til et underrum, hvor den nødvendige samplingsoverhead forbliver under en håndterbar tærskel. Vi viser, at vi gennem denne begrænsede optimeringsalgoritme opnår høj kvalitet i tidsudviklingen af kvantespinsystemer til realistiske tærskler. Nøjagtigheden af simuleringen kan kontrolleres ved at tune denne nye hyperparameter, hvilket muliggør optimale resultater givet et fast budget af samlede kvanteressourcer.

► BibTeX-data

@article{Gentinetta2024overheadconstrained, doi = {10.22331/q-2024-03-21-1296}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2024-03-21-1296}, title = {Overhead-begrænset kredsløbsstrik til variation af kvantedynamik}, forfatter = {Gentinetta, Gian og Metz, Friederike og Carleo, Giuseppe}, journal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, udgiver = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in the Quantenwissenschaften}}, volumen = {8}, sider = {1296}, måned = marts, år = {2024} }

► Referencer

[1] Richard P. Feynman. "Simulering af fysik med computere". International Journal of Theoretical Physics 21, 467–488 (1982).
https:///doi.org/10.1007/BF02650179

[2] Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takita, Markus Brink, Jerry M. Chow og Jay M. Gambetta. "Hardwareeffektiv variationskvanteegenopløser til små molekyler og kvantemagneter". Nature 549, 242-246 (2017).
https:///doi.org/10.1038/nature23879

[3] A. Chiesa, F. Tacchino, M. Grossi, P. Santini, I. Tavernelli, D. Gerace og S. Carretta. "Kvantehardware simulerer firedimensionel uelastisk neutronspredning". Nature Physics 15, 455-459 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41567-019-0437-4

[4] Frank Arute et al. "Hartree-fock på en superledende qubit kvantecomputer". Science 369, 1084-1089 (2020).
https://doi.org/10.1126/science.abb9811

[5] Frank Arute et al. "Observation af adskilt dynamik af ladning og spin i fermi-hubbard-modellen" (2020). arXiv:2010.07965.
arXiv: 2010.07965

[6] C. Neill et al. "Nøjagtig beregning af de elektroniske egenskaber af en kvantering". Nature 594, 508-512 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03576-2

[7] J. Zhang, G. Pagano, PW Hess, A. Kyprianidis, P. Becker, H. Kaplan, AV Gorshkov, ZX Gong og C. Monroe. "Observation af en dynamisk faseovergang med mange krop med en 53-qubit kvantesimulator". Nature 551, 601-604 (2017).
https:///doi.org/10.1038/nature24654

[8] James Dborin, Vinul Wimalaweera, F. Barratt, Eric Ostby, Thomas E. O'Brien og AG Green. "Simulering af grundtilstand og dynamiske kvantefaseovergange på en superledende kvantecomputer". Nature Communications 13, 5977 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41467-022-33737-4

[9] Sepehr Ebadi, Tout T. Wang, Harry Levine, Alexander Keesling, Giulia Semeghini, Ahmed Omran, Dolev Bluvstein, Rhine Samajdar, Hannes Pichler, Wen Wei Ho, Soonwon Choi, Subir Sachdev, Markus Greiner, Vladan Vuletić og Mikhail D. Lukin. "Kvantefaser af stof på en 256-atom programmerbar kvantesimulator". Nature 595, 227-232 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03582-4

[10] Ehud Altman. "Mangekropslokalisering og kvantetermalisering". Nature Physics 14, 979-983 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41567-018-0305-7

[11] Wibe A. de Jong, Kyle Lee, James Mulligan, Mateusz Płoskoń, Felix Ringer og Xiaojun Yao. "Kvantesimulering af ikke-ligevægtsdynamik og termalisering i schwinger-modellen". Phys. Rev. D 106, 054508 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevD.106.054508

[12] Youngseok Kim, Andrew Eddins, Sajant Anand, Ken Xuan Wei, Ewout van den Berg, Sami Rosenblatt, Hasan Nayfeh, Yantao Wu, Michael Zaletel, Kristan Temme og Abhinav Kandala. "Bevis for nytten af kvanteberegning før fejltolerance". Nature 618, 500–505 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06096-3

[13] 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

[14] 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". Phys. Rev. X 8, 041015 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.8.041015

[15] Yunseong Nam og Dmitri Maslov. "Lavpris kvantekredsløb til klassisk vanskelige forekomster af det Hamiltonske dynamiksimuleringsproblem". npj Quantum Information 5, 44 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0152-0

[16] Mario Motta, Erika Ye, Jarrod R. McClean, Zhendong Li, Austin J. Minnich, Ryan Babbush og Garnet Kin-Lic Chan. "Repræsentationer med lav rang til kvantesimulering af elektronisk struktur". npj Quantum Information 7, 83 (2021).
https:///doi.org/10.1038/s41534-021-00416-z

[17] Jay Gambetta. "Udvidelse af IBM Quantum-køreplanen for at forudse fremtiden for kvantecentreret supercomputing". url: https:///research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap-2025.
https:///research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap-2025

[18] John Preskill. "Quantum Computing i NISQ-æraen og derefter". Quantum 2, 79 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-08-06-79

[19] Sergey Bravyi, Graeme Smith og John A. Smolin. "Handel med klassiske og kvanteberegningsressourcer". Phys. Rev. X 6, 021043 (2016).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.6.021043

[20] Tianyi Peng, Aram W. Harrow, Maris Ozols og Xiaodi Wu. "Simulering af store kvantekredsløb på en lille kvantecomputer". Phys. Rev. Lett. 125, 150504 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.150504

[21] Kosuke Mitarai og Keisuke Fujii. "Konstruktion af en virtuel to-qubit-gate ved at udtage en enkelt-qubit-operation". New Journal of Physics 23, 023021 (2021).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/abd7bc

[22] Kosuke Mitarai og Keisuke Fujii. "Overhead til simulering af en ikke-lokal kanal med lokale kanaler ved quasi-sandsynlighedssampling". Quantum 5, 388 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-01-28-388

[23] Christophe Piveteau og David Sutter. "Kringstrik med klassisk kommunikation". IEEE-transaktioner på informationsteori Side 1–1 (2024).
https:///doi.org/10.1109/tit.2023.3310797

[24] Zhuo Fan og Quan-lin Jie. "Klyngetæthedsmatrixindlejringsteori for kvantespinsystemer". Phys. Rev. B 91, 195118 (2015).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.91.195118

[25] Klaas Gunst, Sebastian Wouters, Stijn De Baerdemacker og Dimitri Van Neck. "Blok produktdensitetsmatrix-indlejringsteori for stærkt korrelerede spinsystemer". Phys. Rev. B 95, 195127 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.95.195127

[26] Takeshi Yamazaki, Shunji Matsuura, Ali Narimani, Anushervon Saidmuradov og Arman Zaribafiyan. "Mod den praktiske anvendelse af kortsigtede kvantecomputere i kvantekemi-simuleringer: En problemnedbrydningstilgang" (2018). arXiv:1806.01305.
arXiv: 1806.01305

[27] Max Rossmannek, Panagiotis Kl. Barkoutsos, Pauline J. Ollitrault og Ivano Tavernelli. "Quantum HF/DFT-indlejringsalgoritmer til elektroniske strukturberegninger: Opskalering til komplekse molekylære systemer". The Journal of Chemical Physics 154, 114105 (2021).
https:///doi.org/10.1063/5.0029536

[28] Andrew Eddins, Mario Motta, Tanvi P. Gujarati, Sergey Bravyi, Antonio Mezzacapo, Charles Hadfield og Sarah Sheldon. "Fordobling af størrelsen af kvantesimulatorer ved sammenfiltringssmedning". PRX Quantum 3, 010309 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.010309

[29] Patrick Huembeli, Giuseppe Carleo og Antonio Mezzacapo. "Entanglement smedning med generative neurale netværksmodeller" (2022). arXiv:2205.00933.
arXiv: 2205.00933

[30] Paulin de Schoulepnikoff, Oriel Kiss, Sofia Vallecorsa, Giuseppe Carleo og Michele Grossi. "Hybride grundtilstands kvantealgoritmer baseret på neural schrödinger-smedning" (2023). arXiv:2307.02633.
arXiv: 2307.02633

[31] Abigail McClain Gomez, Taylor L. Patti, Anima Anandkumar og Susanne F. Yelin. "Nærtids distribueret kvanteberegning ved hjælp af middelfeltkorrektioner og hjælpequbits" (2023). arXiv:2309.05693.
arXiv: 2309.05693

[32] Stefano Barison, Filippo Vicentini og Giuseppe Carleo. "Indlejring af klassiske variationsmetoder i kvantekredsløb" (2023). arXiv:2309.08666.
arXiv: 2309.08666

[33] Xiao Yuan, Jinzhao Sun, Junyu Liu, Qi Zhao og You Zhou. "Kvantesimulering med hybridtensornetværk". Phys. Rev. Lett. 127, 040501 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.040501

[34] Jinzhao Sun, Suguru Endo, Huiping Lin, Patrick Hayden, Vlatko Vedral og Xiao Yuan. "Perturbativ kvantesimulering". Phys. Rev. Lett. 129, 120505 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.120505

[35] J. Eisert, M. Cramer og MB Plenio. "Colloquium: Områdelove for sammenfiltringsentropien". Rev. Mod. Phys. 82, 277-306 (2010).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.82.277

[36] Ulrich Schollwöck. "Tæthed-matrix-renormaliseringsgruppen i en alder af matrixprodukttilstande". Annals of Physics 326, 96-192 (2011).
https:///doi.org/10.1016/j.aop.2010.09.012

[37] Jin-Guo Liu, Yi-Hong Zhang, Yuan Wan og Lei Wang. "Variationel kvanteegenopløser med færre qubits". Phys. Rev. Res. 1, 023025 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.1.023025

[38] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C. Benjamin og Xiao Yuan. "Kvanteberegningskemi". Rev. Mod. Phys. 92, 015003 (2020).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.92.015003

[39] G. Kotliar, SY Savrasov, K. Haule, VS Oudovenko, O. Parcollet og CA Marianetti. "Elektroniske strukturberegninger med dynamisk middelfeltteori". Reviews of Modern Physics 78, 865-951 (2006).
https:///doi.org/10.1103/revmodphys.78.865

[40] Qiming Sun og Granat Kin-Lic Chan. "Kvanteindlejringsteorier". Accounts of Chemical Research 49, 2705–2712 (2016).
https:///doi.org/10.1021/acs.accounts.6b00356

[41] Stefano Barison, Filippo Vicentini og Giuseppe Carleo. "En effektiv kvantealgoritme til tidsudviklingen af parametriserede kredsløb". Quantum 5, 512 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-07-28-512

[42] PAM Dirac. "Note om udvekslingsfænomener i thomas-atomet". Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 26, 376–385 (1930).
https:///doi.org/10.1017/S0305004100016108

[43] Jacob Frenkel. "Bølgemekanik: Avanceret generel teori". London: Oxford University Press. (1934).
https://doi.org/10.1017/s0025557200203604

[44] AD McLachlan. "En variationsløsning af den tidsafhængige schrodinger-ligning". Molecular Physics 8, 39-44 (1964).
https:///doi.org/10.1080/00268976400100041

[45] Xiao Yuan, Suguru Endo, Qi Zhao, Ying Li og Simon C. Benjamin. "Teori om variationel kvantesimulering". Quantum 3, 191 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-10-07-191

[46] Julien Gacon, Jannes Nys, Riccardo Rossi, Stefan Woerner og Giuseppe Carleo. "Variationel kvantetidsudvikling uden den kvantegeometriske tensor". Physical Review Research 6 (2024).
https:///doi.org/10.1103/physrevresearch.6.013143

[47] R. Cleve, A. Ekert, C. Macchiavello og M. Mosca. "Kvantealgoritmer revideret". 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

[48] Vojtěch Havlíček, Antonio D. Córcoles, Kristan Temme, Aram W. Harrow, Abhinav Kandala, Jerry M. Chow og Jay M. Gambetta. "Superviseret læring med kvanteforstærkede funktionsrum". Nature 567, 209-212 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-0980-2

[49] M. Cerezo, Akira Sone, Tyler Volkoff, Lukasz Cincio og Patrick J. Coles. "Omkostningsfunktionsafhængige golde plateauer i lavvandede parametriserede kvantekredsløb". Nature Communications 12, 1791 (2021).
https:///doi.org/10.1038/s41467-021-21728-w

[50] Tobias Haug og MS Kim. "Optimal træning af variationskvantealgoritmer uden golde plateauer" (2021). arXiv:2104.14543.
arXiv: 2104.14543

[51] Lukas Schmitt, Christophe Piveteau og David Sutter. "Skæring af kredsløb med flere to-qubit-enheder" (2023). arXiv:2312.11638.
arXiv: 2312.11638

[52] Christian Ufrecht, Laura S. Herzog, Daniel D. Scherer, Maniraman Periyasamy, Sebastian Rietsch, Axel Plinge og Christopher Mutschler. "Optimal samlingsskæring af to-qubit rotationsporte" (2023). arXiv:2312.09679.
arXiv: 2312.09679

[53] Diederik P. Kingma og Jimmy Ba. "Adam: En metode til stokastisk optimering" (2017). arXiv:1412.6980.
arXiv: 1412.6980

[54] Michael A. Nielsen og Isaac L. Chuang. "Kvanteberegning og kvanteinformation: 10-års jubilæumsudgave". Cambridge University Press. (2010).
https:///doi.org/10.1017/CBO9780511976667

[55] Sajant Anand, Kristan Temme, Abhinav Kandala og Michael Zaletel. "Klassisk benchmarking af nul-støjekstrapolation ud over det nøjagtigt verificerbare regime" (2023). arXiv:2306.17839.
arXiv: 2306.17839

[56] 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". Nature Communications 5, 4213 (2014).
https:///doi.org/10.1038/ncomms5213

[57] Tuhin Khare, Ritajit Majumdar, Rajiv Sangle, Anupama Ray, Padmanabha Venkatagiri Seshadri og Yogesh Simmhan. "Parallelisering af kvante-klassiske arbejdsbelastninger: Profilering af virkningen af spaltningsteknikker" (2023). arXiv:2305.06585.
arXiv: 2305.06585

[58] Sebastian Brandhofer, Ilia Polian og Kevin Krsulich. "Optimal opdeling af kvantekredsløb ved hjælp af gate cuts og wire cuts" (2023). arXiv:2308.09567.
arXiv: 2308.09567

[59] Daniele Cuomo, Marcello Caleffi og Angela Sara Cacciapuoti. "Mod et distribueret kvanteberegningsøkosystem". IET Quantum Communication 1, 3–8 (2020).
https:///doi.org/10.1049/iet-qtc.2020.0002

[60] Jeff Bezanson, Alan Edelman, Stefan Karpinski og Viral B Shah. "Julia: En frisk tilgang til numerisk databehandling". SIAM Review 59, 65–98 (2017).
https:///doi.org/10.1137/141000671

[61] Xiu-Zhe Luo, Jin-Guo Liu, Pan Zhang og Lei Wang. "Yao.jl: Extensible, Efficient Framework for Quantum Algorithm Design". Quantum 4, 341 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-10-11-341

[62] Gian Gentinetta, Friederike Metz og Giuseppe Carleo. "Kode til manuskript Overhead-begrænset kredsløbsstrik til variation af kvantedynamik". Github (2024).
https:///doi.org/10.5281/zenodo.10829066

Citeret af

[1] Travis L. Scholten, Carl J. Williams, Dustin Moody, Michele Mosca, William Hurley, William J. Zeng, Matthias Troyer og Jay M. Gambetta, "Assessing the Benefits and Risks of Quantum Computers", arXiv: 2401.16317, (2024).

[2] Julien Gacon, "Scalable Quantum Algoritms for Noisy Quantum Computers", arXiv: 2403.00940, (2024).

Ovenstående citater er fra SAO/NASA ADS (sidst opdateret 2024-03-22 05:07:54). Listen kan være ufuldstændig, da ikke alle udgivere leverer passende og fuldstændige citatdata.

On Crossrefs citeret af tjeneste ingen data om at citere værker blev fundet (sidste forsøg 2024-03-22 05:07:53).

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-2024-03-21-1296/

Tidsstempel: Marts 21, 2024

Tidsstempel: Oktober 19, 2023

Overhead-begrænset kredsløbsstrik til variation af kvantedynamik

Genudgivet af Platon

Abstrakt

Populært resumé

► BibTeX-data

► Referencer

Citeret af

Mere fra Quantum Journal

Kvantehastighedsgrænser for operatørflows og korrelationsfunktioner

Klassiske skygger baseret på lokalt sammenfiltrede målinger

Kvantespilteori og kompleksiteten af tilnærmelse af kvante Nash-ligevægte

Her kommer SU(N): multivariate kvanteporte og gradienter

Quantum Monte Carlo Integration: Den fulde fordel i minimal kredsløbsdybde

Faster Born-sandsynlighedsvurdering via gate-fusion og frame-optimering

Design af kvantekanaler induceret af diagonale porte

Adaptiv overfladekode til kvantefejlkorrektion i tilfælde af midlertidige eller permanente defekter

Informationstransmission med kontinuerlige variable kvantesletningskanaler

Om os

Vertikal søgning & Ai

perron

Stay Connected

Konto