Fehlertolerante Quantenberechnung molekularer Observablen

Fehlertolerante Quantenberechnung molekularer Observablen

Zeitstempel: 6. November 2023, 7:23 Uhr

Mark Steudtner1, Sam Morley-Kurz1, William Pol1, Sukin Sim1, Cristian L. Cortes2, Matthias Loipersberger2, Robert M. Parrish2, Matthias Degroote3, Nikolaj Moll3, Raffael Santagati3 und 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, Deutschland

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Abstrakt

In den letzten drei Jahrzehnten konnten die Kosten für die Schätzung der Grundzustandsenergien molekularer Hamilton-Operatoren mit Quantencomputern erheblich gesenkt werden. Der für viele industrielle Anwendungen wichtigen Schätzung der Erwartungswerte anderer Observablen in Bezug auf diese Grundzustände wurde jedoch vergleichsweise wenig Aufmerksamkeit geschenkt. In dieser Arbeit stellen wir einen neuartigen Quantenalgorithmus zur Erwartungswertschätzung (EVE) vor, der zur Schätzung der Erwartungswerte beliebiger Observablen in Bezug auf alle Eigenzustände des Systems angewendet werden kann. Insbesondere betrachten wir zwei Varianten von EVE: std-EVE, basierend auf der Standard-Quantenphasenschätzung, und QSP-EVE, das Techniken der Quantensignalverarbeitung (QSP) nutzt. Wir bieten eine rigorose Fehleranalyse für beide Varianten und minimieren die Anzahl der einzelnen Phasenfaktoren für QSPEVE. Diese Fehleranalysen ermöglichen es uns, Quantenressourcenschätzungen mit konstantem Faktor sowohl für std-EVE als auch für QSP-EVE für eine Vielzahl molekularer Systeme und Observablen zu erstellen. Für die betrachteten Systeme zeigen wir, dass QSP-EVE die Anzahl der (Toffoli-)Gates um bis zu drei Größenordnungen und die Qubit-Breite um bis zu 25 % im Vergleich zu std-EVE reduziert. Während die geschätzten Ressourcenzahlen für die ersten Generationen fehlertoleranter Quantencomputer immer noch viel zu hoch sind, stellen unsere Schätzungen eine Premiere ihrer Art sowohl für die Anwendung der Erwartungswertschätzung als auch moderner QSP-basierter Techniken dar.

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► Referenzen

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Zitiert von

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