Quantensimulation der realen Raumdynamik PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikale Suche. Ai.

Quantensimulation der Dynamik im realen Raum

Andrew M. Childs1,2, Jiaqi Leng1,3, Tongyang Li4,5,6, Jin Peng Liu1,3, und Chenyi Zhang7

1Gemeinsames Zentrum für Quanteninformation und Informatik, University of Maryland
2Institut für Informatik, University of Maryland
3Fakultät für Mathematik, University of Maryland
4Center on Frontiers of Computing Studies, Universität Peking
5Fakultät für Informatik, Universität Peking
6Zentrum für Theoretische Physik, Massachusetts Institute of Technology
7Institut für Interdisziplinäre Informationswissenschaften, Tsinghua University

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Abstrakt

Quantensimulation ist eine prominente Anwendung von Quantencomputern. Während es umfangreiche frühere Arbeiten zur Simulation endlichdimensionaler Systeme gibt, ist weniger über Quantenalgorithmen für die Dynamik im realen Raum bekannt. Wir führen eine systematische Untersuchung solcher Algorithmen durch. Insbesondere zeigen wir, dass die Dynamik einer $d$-dimensionalen Schrödinger-Gleichung mit $eta$-Partikeln mit Gatterkomplexität $tilde{O}bigl(eta d F text{poly}(log(g'/epsilon) )bigr)$, wobei $epsilon$ der Diskretisierungsfehler ist, $g'$ die Ableitungen höherer Ordnung der Wellenfunktion steuert und $F$ die zeitintegrierte Stärke des Potentials misst. Im Vergleich zu den besten bisherigen Ergebnissen verbessert sich dadurch die Abhängigkeit von $epsilon$ und $g'$ exponentiell von $text{poly}(g'/epsilon)$ auf $text{poly}(log(g'/epsilon))$ und verbessert polynomiell die Abhängigkeit von $T$ und $d$, während die bekannteste Leistung in Bezug auf $eta$ beibehalten wird. Für den Fall von Coulomb-Wechselwirkungen geben wir einen Algorithmus an, der $eta^{3}(d+eta)Ttext{poly}(log(eta dTg'/(Deltaepsilon)))/Delta$ Ein- und Zwei-Qubit-Gatter verwendet, und eine andere mit $eta^{3}(4d)^{d/2}Ttext{poly}(log(eta dTg'/(Deltaepsilon)))/Delta$ Ein- und Zwei-Qubit-Gattern und QRAM-Operationen, wobei $ T$ ist die Evolutionszeit und der Parameter $Delta$ regelt die unbeschränkte Coulomb-Wechselwirkung. Wir geben Anwendungen für mehrere Rechenprobleme, darunter eine schnellere Realraumsimulation der Quantenchemie, eine rigorose Analyse des Diskretisierungsfehlers zur Simulation eines einheitlichen Elektronengases und eine quadratische Verbesserung eines Quantenalgorithmus zum Entkommen von Sattelpunkten in der nichtkonvexen Optimierung.

Wir entwickeln Quantenalgorithmen zur Simulation der Dynamik wechselwirkender Quantenteilchen in $d$-Dimensionen. Im Vergleich zu den besten bisherigen Ergebnissen ist unser Algorithmus hinsichtlich des Diskretisierungsfehlers $epsilon$ exponentiell besser und hinsichtlich der Simulationszeit $T$ und der Dimension $d$ polynomial besser. Wir geben Anwendungen für mehrere Rechenprobleme, darunter eine schnellere Realraumsimulation der Quantenchemie, eine rigorose Analyse des Diskretisierungsfehlers zur Simulation eines einheitlichen Elektronengases und eine quadratische Verbesserung eines Quantenalgorithmus zum Entkommen von Sattelpunkten in der nichtkonvexen Optimierung.

► BibTeX-Daten

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[66] Stephen Wiesner, Simulationen von Vielteilchen-Quantensystemen durch einen Quantencomputer, 1996, arXiv:quant-ph/​9603028.
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[67] Christof Zalka, Effiziente Simulation von Quantensystemen durch Quantencomputer, Fortschritte der Physik: Progress of Physics 46 (1998), No. 6-8, 877–879, arXiv:quant-ph/​9603026.
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[68] Chenyi Zhang, Jiaqi Leng und Tongyang Li, Quantenalgorithmen für die Flucht aus Sattelpunkten, Quantum 5 (2021), 529, arXiv:2007.10253v3 https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-08- 20-529.
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[69] Chenyi Zhang und Tongyang Li, Escape Sattelpunkten durch einen einfachen Algorithmus auf Gradientenabstiegsbasis, Advances in Neural Information Processing Systems, vol. 34, 2021, arXiv:2111.14069.
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Zitiert von

[1] Hans Hon Sang Chan, Richard Meister, Tyson Jones, David P. Tew und Simon C. Benjamin, „Gitterbasierte Methoden für chemische Simulationen auf einem Quantencomputer“, arXiv: 2202.05864.

[2] Yonah Borns-Weil und Di Fang, „Uniform beobachtbare Fehlergrenzen der Trotter-Formeln für die semiklassische Schrödinger-Gleichung“, arXiv: 2208.07957.

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