Piiratud vooluahelaga kudumine variatsioonilise kvantdünaamika jaoks

Piiratud vooluahelaga kudumine variatsioonilise kvantdünaamika jaoks

Gian Gentinetta, Friederike Metzja Giuseppe Carleo

Füüsikainstituut, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Šveits
Kvantteaduse ja -tehnika keskus, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Šveits

Kas see artikkel on huvitav või soovite arutada? Scite või jätke SciRate'i kommentaar.

Abstraktne

Suurte kvantsüsteemide dünaamika simuleerimine on tohutu, kuid oluline püüdlus kvantmehaaniliste nähtuste sügavama mõistmise saamiseks. Kuigi kvantarvutitel on palju lubadusi selliste simulatsioonide kiirendamiseks, takistab nende praktilist rakendamist piiratud ulatus ja läbiv müra. Selles töös pakume välja lähenemisviisi, mis käsitleb neid väljakutseid, kasutades ahela kudumist, et jagada suur kvantsüsteem väiksemateks alamsüsteemideks, mida saab simuleerida eraldi seadmes. Süsteemi arengut juhib prognoositud variatsioonikvantdünaamika (PVQD) algoritm, mida on täiendatud variatsioonilise kvantahela parameetrite piirangutega, tagades, et ahela kudumisskeemi tekitatud diskreetimiskulud jäävad kontrollitavaks. Testime oma meetodit kvanttsentrifuugimissüsteemidega, millel on mitu nõrgalt põimunud plokki, millest igaüks koosneb tugevalt korrelatsiooniga spinnidest, kus suudame dünaamikat täpselt simuleerida, hoides samal ajal proovivõtu üldkulusid hallatavana. Lisaks näitame, et sama meetodit saab kasutada vooluringi sügavuse vähendamiseks, lõigates pikamaaväravaid.

Selles töös simuleerime mitmest nõrgalt korrelatsiooniga alamsüsteemist koosnevate kvant-mitmekehasüsteemide reaalajas dünaamikat, jaotades alamsüsteemid mitmele kvantseadmele. See saavutatakse ahela kudumisena tuntud tehnikaga, mis lagundab globaalse kvantkanali kohalikult realiseeritavateks kanaliteks kvaasitõenäosuse jaotuse kaudu. Mõõtmiste arvu üldkulude hinnaga võimaldab see klassikaliselt rekonstrueerida erinevate alamsüsteemide põimumist. Üldiselt laieneb proovivõtu üldkulud simulatsiooniaja jooksul eksponentsiaalselt, kuna aja jooksul kasvavad allsüsteemidevahelised takerdused.

Oma töö peamise panusena muudame variatsioonilist kvantaja evolutsiooni algoritmi (PVQD), piirates variatsiooniparameetreid alamruumiga, kus nõutav diskreetimiskulu jääb alla juhitava läve. Näitame, et selle piiratud optimeerimisalgoritmi abil saavutame realistlike lävede jaoks kvantspinnisüsteemide ajalise arengu kõrge täpsuse. Simulatsiooni täpsust saab kontrollida selle uue hüperparameetri häälestamisega, mis võimaldab saavutada optimaalseid tulemusi kogu kvantressursside fikseeritud eelarve korral.

► BibTeX-i andmed

► Viited

[1] Richard P. Feynman. "Füüsika simuleerimine arvutitega". 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 ja Jay M. Gambetta. "Riistvarasäästlik variatsiooniline kvantomalahendaja väikeste molekulide ja kvantmagnetite jaoks". Nature 549, 242–246 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1038/​nature23879

[3] A. Chiesa, F. Tacchino, M. Grossi, P. Santini, I. Tavernelli, D. Gerace ja S. Carretta. "Kvantiriistvara, mis simuleerib neljamõõtmelist mitteelastset neutronite hajumist". Nature Physics 15, 455–459 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-019-0437-4

[4] Frank Arute jt. "Hartree-fock ülijuhtival qubit kvantarvutil". Science 369, 1084–1089 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1126/​science.abb9811

[5] Frank Arute jt. "Laengu ja pöörlemise eraldatud dünaamika vaatlemine fermi-Hubbardi mudelis" (2020). arXiv:2010.07965.
arXiv: 2010.07965

[6] C. Neill et al. "Kvantrõnga elektrooniliste omaduste täpne arvutamine". 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 ja C. Monroe. "Paljude kehade dünaamilise faasisiirde vaatlemine 53-kubitise kvantsimulaatoriga". Nature 551, 601–604 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1038/​nature24654

[8] James Dborin, Vinul Wimalaweera, F. Barratt, Eric Ostby, Thomas E. O'Brien ja AG Green. "Alusseisundi ja dünaamiliste kvantfaasisiirete simuleerimine ülijuhtivas kvantarvutis". 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 ja Mihhail D. . "Aine kvantfaasid 256-aatomilises programmeeritavas kvantsimulaatoris". Nature 595, 227–232 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-021-03582-4

[10] Ehud Altman. "Paljude kehade lokaliseerimine ja kvanttermaliseerimine". 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 ja Xiaojun Yao. "Mittetasakaalu dünaamika ja termiliseerituse kvantsimulatsioon Schwingeri mudelis". 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 ja Abhinav Kandala. "Tõendid kvantarvutite kasulikkuse kohta enne tõrketaluvust". 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 ja Yuan Su. "Esimese kvantsimulatsiooni suunas kvantkiiruse suurendamisega". 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 ja Hartmut Neven. "Elektrooniliste spektrite kodeerimine lineaarse t keerukusega kvantahelates". Phys. Rev. X 8, 041015 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.8.041015

[15] Yunseong Nam ja Dmitri Maslov. "Madala hinnaga kvantahelad Hamiltoni dünaamika simulatsiooniprobleemi klassikaliselt lahendamatute juhtumite jaoks". 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 ja Garnet Kin-Lic Chan. "Madala järgu esitused elektroonilise struktuuri kvantsimuleerimiseks". npj Quantum Information 7, 83 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41534-021-00416-z

[17] Jay Gambetta. "IBM Quantumi tegevuskava laiendamine, et ennustada kvantkeskse superarvuti tulevikku." url: https://​/​research.ibm.com/​blog/​ibm-quantum-roadmap-2025.
https://​/​research.ibm.com/​blog/​ibm-quantum-roadmap-2025

[18] John Preskill. "Kvantarvuti NISQ ajastul ja pärast seda". Quantum 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[19] Sergey Bravyi, Graeme Smith ja John A. Smolin. "Kauplemine klassikaliste ja kvantarvutusressurssidega". Phys. Rev. X 6, 021043 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.6.021043

[20] Tianyi Peng, Aram W. Harrow, Maris Ozols ja Xiaodi Wu. "Suurte kvantahelate simuleerimine väikeses kvantarvutis". Phys. Rev. Lett. 125, 150504 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.125.150504

[21] Kosuke Mitarai ja Keisuke Fujii. "Virtuaalse kahe kubitise värava konstrueerimine ühe kubiti operatsioonide valimi abil". New Journal of Physics 23, 023021 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​abd7bc

[22] Kosuke Mitarai ja Keisuke Fujii. "Üldkulud mittekohaliku kanali simuleerimiseks kohalike kanalitega kvaasitõenäosuse valimi abil". Quantum 5, 388 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-28-388

[23] Christophe Piveteau ja David Sutter. “Ringkudumine klassikalise suhtlusega”. IEEE Transactions on Information TheoryPage 1–1 (2024).
https://​/​doi.org/​10.1109/​tit.2023.3310797

[24] Zhuo Fan ja Quan-lin Jie. "Kvantspinnisüsteemide klastri tihedusmaatriksi manustamise teooria". Phys. Rev. B 91, 195118 (2015).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.91.195118

[25] Klaas Gunst, Sebastian Wouters, Stijn De Baerdemacker ja Dimitri Van Neck. "Tugevas korrelatsioonis spinsüsteemide jaoks mõeldud plokkide tiheduse maatriksi manustamise teooria". Phys. Rev. B 95, 195127 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.95.195127

[26] Takeshi Yamazaki, Shunji Matsuura, Ali Narimani, Anushervon Saidmuradov ja Arman Zaribafiyan. "Lähiajaliste kvantarvutite praktilise rakendamise suunas kvantkeemia simulatsioonides: probleemi lagunemise lähenemisviis" (2018). arXiv:1806.01305.
arXiv: 1806.01305

[27] Max Rossmannek, Panagiotis Kl. Barkoutsos, Pauline J. Ollitrault ja Ivano Tavernelli. "Kvant-HF/DFT-manustusalgoritmid elektrooniliste struktuuride arvutamiseks: skaleerimine keerukateks molekulaarsüsteemideks". 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 ja Sarah Sheldon. "Kvantsimulaatorite suuruse kahekordistamine sepistamise teel". PRX Quantum 3, 010309 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.3.010309

[29] Patrick Huembeli, Giuseppe Carleo ja Antonio Mezzacapo. "Põimude sepistamine generatiivsete närvivõrgu mudelitega" (2022). arXiv:2205.00933.
arXiv: 2205.00933

[30] Paulin de Schoulepnikoff, Oriel Kiss, Sofia Vallecorsa, Giuseppe Carleo ja Michele Grossi. "Närvi Schrödingeri sepistamisel põhinevad hübriidsed põhiseisundi kvantalgoritmid" (2023). arXiv:2307.02633.
arXiv: 2307.02633

[31] Abigail McClain Gomez, Taylor L. Patti, Anima Anandkumar ja Susanne F. Yelin. "Lähiajaline hajutatud kvantarvutus, kasutades keskmise välja parandusi ja abikubitte" (2023). arXiv:2309.05693.
arXiv: 2309.05693

[32] Stefano Barison, Filippo Vicentini ja Giuseppe Carleo. "Klassikaliste variatsioonimeetodite manustamine kvantahelatesse" (2023). arXiv:2309.08666.
arXiv: 2309.08666

[33] Xiao Yuan, Jinzhao Sun, Junyu Liu, Qi Zhao ja You Zhou. "Kvantsimulatsioon hübriidtensorvõrkudega". 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 ja Xiao Yuan. "Perturbatiivne kvantsimulatsioon". Phys. Rev. Lett. 129, 120505 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.129.120505

[35] J. Eisert, M. Cramer ja MB Plenio. "Kollokvium: põimumisentroopia pindalaseadused". Rev. Mod. Phys. 82, 277–306 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.82.277

[36] Ulrich Schollwöck. "Tihedusmaatriksi renormaliseerimise rühm maatriksiprodukti olekute ajastul". 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 ja Lei Wang. "Variatsiooniline kvantomalahendaja vähemate kubitidega". 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 ja Xiao Yuan. "Kvantarvutuskeemia". 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 ja CA Marianetti. "Elektroonilised struktuuriarvutused dünaamilise keskmise välja teooriaga". Reviews of Modern Physics 78, 865–951 (2006).
https://​/​doi.org/​10.1103/​revmodphys.78.865

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

[41] Stefano Barison, Filippo Vicentini ja Giuseppe Carleo. "Tõhus kvantalgoritm parameetritega ahelate ajas arenemiseks". Quantum 5, 512 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-07-28-512

[42] PAM Dirac. "Märkus Thomase aatomi vahetusnähtuste kohta". Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 26, 376–385 (1930).
https://​/​doi.org/​10.1017/​S0305004100016108

[43] Jacov Frenkel. "Lainemehaanika: arenenud üldteooria". London: Oxford University Press. (1934).
https://​/​doi.org/​10.1017/​s0025557200203604

[44] AD McLachlan. "Ajast sõltuva Schrodingeri võrrandi variatsiooniline lahendus". Molecular Physics 8, 39–44 (1964).
https://​/​doi.org/​10.1080/​00268976400100041

[45] Xiao Yuan, Suguru Endo, Qi Zhao, Ying Li ja Simon C. Benjamin. "Variatsioonilise kvantsimulatsiooni teooria". Quantum 3, 191 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-10-07-191

[46] Julien Gacon, Jannes Nys, Riccardo Rossi, Stefan Woerner ja Giuseppe Carleo. "Variatsiooniline kvantaja evolutsioon ilma kvantgeomeetrilise tensorita". Physical Review Research 6 (2024).
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevresearch.6.013143

[47] R. Cleve, A. Ekert, C. Macchiavello ja M. Mosca. "Uuesti vaadatud kvantalgoritmid". Londoni Kuningliku Seltsi toimetised. A-seeria: 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 ja Jay M. Gambetta. "Järelevalvega õppimine kvant-täiustatud funktsiooniruumidega". Nature 567, 209–212 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-0980-2

[49] M. Cerezo, Akira Sone, Tyler Volkoff, Lukasz Cincio ja Patrick J. Coles. "Kulufunktsioonist sõltuvad viljatud platood madalates parameetritega kvantahelates". Nature Communications 12, 1791 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-21728-w

[50] Tobias Haug ja MS Kim. "Variatsiooniliste kvantalgoritmide optimaalne väljaõpe ilma viljatute platoodeta" (2021). arXiv:2104.14543.
arXiv: 2104.14543

[51] Lukas Schmitt, Christophe Piveteau ja David Sutter. "Lõikeahelad mitme kahe kubitise ühikuga" (2023). arXiv:2312.11638.
arXiv: 2312.11638

[52] Christian Ufrecht, Laura S. Herzog, Daniel D. Scherer, Maniraman Periyasamy, Sebastian Rietsch, Axel Plinge ja Christopher Mutschler. “Kahekubitiliste pöörlevate väravate optimaalne vuukide lõikamine” (2023). arXiv:2312.09679.
arXiv: 2312.09679

[53] Diederik P. Kingma ja Jimmy Ba. “Adam: stohhastilise optimeerimise meetod” (2017). arXiv: 1412.6980.
arXiv: 1412.6980

[54] Michael A. Nielsen ja Isaac L. Chuang. "Kvantarvutus ja kvantteave: 10. aastapäeva väljaanne". Cambridge University Press. (2010).
https://​/​doi.org/​10.1017/​CBO9780511976667

[55] Sajant Anand, Kristan Temme, Abhinav Kandala ja Michael Zaletel. "Täpselt kontrollitavast režiimist väljapoole jääva müra ekstrapoleerimise klassikaline võrdlusanalüüs" (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 ja Jeremy L. O'Brien. "Variatsiooniline omaväärtuse lahendaja fotoonilisel kvantprotsessoril". Nature Communications 5, 4213 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms5213

[57] Tuhin Khare, Ritajit Majumdar, Rajiv Sangle, Anupama Ray, Padmanabha Venkatagiri Seshadri ja Yogesh Simmhan. „Kvantklassikaliste töökoormuste paralleelsus: jagamistehnikate mõju profileerimine” (2023). arXiv:2305.06585.
arXiv: 2305.06585

[58] Sebastian Brandhofer, Ilia Polian ja Kevin Krsulich. "Kvantahelate optimaalne jaotus väravate ja juhtmete lõigete abil" (2023). arXiv:2308.09567.
arXiv: 2308.09567

[59] Daniele Cuomo, Marcello Caleffi ja Angela Sara Cacciapuoti. "Hajutatud kvantarvutite ökosüsteemi poole". IET Quantum Communication 1, 3–8 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1049/​iet-qtc.2020.0002

[60] Jeff Bezanson, Alan Edelman, Stefan Karpinski ja Viral B Shah. "Julia: uus lähenemine arvandmetöötlusele". SIAM Review 59, 65–98 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1137/​141000671

[61] Xiu-Zhe Luo, Jin-Guo Liu, Pan Zhang ja Lei Wang. "Yao.jl: laiendatav, tõhus raamistik kvantalgoritmi kujundamiseks". Quantum 4, 341 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-10-11-341

[62] Gian Gentinetta, Friederike Metz ja Giuseppe Carleo. „Koodi variatsioonilise kvantdünaamika käsikirjaga piiratud ahelaga kudumine”. Github (2024).
https://​/​doi.org/​10.5281/​zenodo.10829066

Viidatud

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

[2] Julien Gacon, "Skaleeritavad kvantalgoritmid mürarikastele kvantarvutitele", arXiv: 2403.00940, (2024).

Ülaltoodud tsitaadid on pärit SAO/NASA KUULUTUSED (viimati edukalt värskendatud 2024-03-22 05:07:54). Loend võib olla puudulik, kuna mitte kõik väljaandjad ei esita sobivaid ja täielikke viiteandmeid.

On Crossrefi viidatud teenus teoste viitamise andmeid ei leitud (viimane katse 2024-03-22 05:07:53).

Ajatempel:

Veel alates Quantum Journal