Variatsioonilise kvantsimulatsiooni mõõtmise optimeerimine klassikalise varju ja derandomiseerimise abil

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

Kouhei Nakaji^1,4, Suguru Endo², Yuichiro Matsuzaki¹ja Hideaki Hakoshima³

¹Seadmetehnoloogia uurimisinstituut, Riiklik arenenud tööstusteaduste ja -tehnoloogia instituut (AIST), 1-1-1 Umezono, Tsukuba, Ibaraki 305-8568, Jaapan.
²NTT arvuti- ja andmeteaduse laborid, ettevõte NTT, Musashino, Tokyo 180-8585, Jaapan
³Osaka ülikooli kvantteabe ja kvantbioloogia keskus, 1-2 Machikaneyama, Toyonaka, Osaka 560-0043, Jaapan.
⁴Praegune aadress: Toronto Ülikooli arvutiteaduse osakond, Toronto, Ontario, Kanada

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

Abstraktne

Suurte kvantsüsteemide simuleerimine on kvantarvutuse lõppeesmärk. Variatsiooniline kvantsimulatsioon (VQS) annab meile tööriista eesmärgi saavutamiseks lähiaja seadmetes, jaotades arvutuskoormuse nii klassikalistele kui ka kvantarvutitele. Kuna aga kvantsüsteemi suurus muutub suureks, muutub VQS-i täitmine üha keerulisemaks. Üks tõsisemaid väljakutseid on mõõtmiste arvu drastiline kasv; näiteks kipub mõõtmiste arv suurenema kubitide arvu neljanda astme võrra kvantsimulatsioonis keemilise Hamiltoni kaanega. Selle töö eesmärk on järsult vähendada VQS-i mõõtmiste arvu hiljuti välja pakutud varjupõhiste strateegiate abil, nagu klassikaline vari ja derandomiseerimine. Ehkki varasem kirjandus näitab, et varipõhised strateegiad optimeerivad edukalt mõõtmisi variatsioonikvant-optimeerimises (VQO), oli nende rakendamine VQS-i jaoks ebaselge, kuna VQO ja VQS on vaadeldavate andmete mõõtmisel. Selles artiklis ületame lõhe, muutes VQS-is vaadeldavate andmete mõõtmise viisi ja pakume välja algoritmi VQS-i mõõtmiste optimeerimiseks varjupõhiste strateegiate abil. Meie teoreetiline analüüs ei näita mitte ainult meie algoritmi VQS-is kasutamise eeliseid, vaid toetab teoreetiliselt ka varjupõhiste strateegiate kasutamist VQO-s, mille eelised on antud ainult numbriliselt. Lisaks näitab meie numbriline katse meie algoritmi kasutamise paikapidavust kvantkeemilise süsteemiga.

Variatsioonilise kvantsimulatsiooni mõõtmise optimeerimine klassikalise varju ja derandomiseerimisega PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikaalne otsing. Ai.

Esiletõstetud pilt: võttemürast tingitud truudusetuse areng iga mõõtmisstrateegia puhul: tavapärane mõõtmisstrateegia (naiivne), klassikaline vari, suurima esimese astme rühmitus (ldf-rühmitus) ja derandomiseerimine. Vasakpoolne joonis tuleneb Hamiltoni molekuli ${rm H}_2$ reaalajas evolutsioonist. Õige joonis tuleneb kujuteldava aja evolutsioonist ${rm LiH}$ Hamiltoni molekuliga.

Populaarne kokkuvõte

Suurte kvantsüsteemide simuleerimine on kvantarvutuse lõppeesmärk. Variational Quantum Simulation (VQS) on paljutõotav kvantalgoritm kvantsimulatsiooni realiseerimiseks lähiaja kvantarvutis. VQS-i täitmine muutub aga kvantsüsteemi suuruse kasvades üha keerulisemaks, kusjuures üks tõsisemaid väljakutseid on vajalike mõõtmiste arvu märkimisväärne suurenemine. Selle probleemi lahendamiseks pakkusime välja algoritmi mõõtmiste optimeerimiseks VQS-is, kasutades mõõtmise optimeerimise meetodeid, nagu klassikaline vari ja derandomiseerimine, muutes VQS-is vaadeldavate andmete mõõtmise viisi. Näitasime algoritmi kehtivust kvantkeemiliste süsteemidega arvuliste katsete abil. Lisaks avastasime teoreetiliselt varjupõhiste strateegiate, nagu klassikaline vari ja derandomiseerimine, kasutamise eelised mitte ainult VQS-is, vaid ka variatsioonikvantide optimeerimises (VQO). Sellel uuringul on oluline mõju mõõtmise optimeerimisele üldistes variatsioonikvantalgoritmides.

► BibTeX-i andmed

@artikkel{Nakaji2023mõõtmine, doi = {10.22331/q-2023-05-04-995}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-05-04-995}, pealkiri = {Mõõtmise optimeerimine variatsioonikvantide simulatsioon klassikalise varju ja derandomisatsiooni abil}, autor = {Nakaji, Kouhei ja Endo, Suguru ja Matsuzaki, Yuichiro ja Hakoshima, Hideaki}, ajakiri = {{Kvant}}, issn = {2521-327X}, väljaandja = { {Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, maht = {7}, lehekülge = {995}, kuu = mai, aasta = {2023} }

► Viited

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

[2] Suguru Endo, Zhenyu Cai, Simon C Benjamin ja Xiao Yuan. "Kvantklassikalised hübriidalgoritmid ja kvantvigade leevendamine". Journal of the Physical Society of Japan 90, 032001 (2021).
https:///doi.org/10.7566/JPSJ.90.032001

[3] Marco Cerezo, Andrew Arrasmith, Ryan Babbush, Simon C Benjamin, Suguru Endo, Keisuke Fujii, Jarrod R McClean, Kosuke Mitarai, Xiao Yuan, Lukasz Cincio jt. "Variatsioonilised kvantalgoritmid". Nature Reviews Physics 3, 625–644 (2021).
https://doi.org/10.1038/s42254-021-00348-9

[4] Edward Farhi, Jeffrey Goldstone ja Sam Gutmann. "Kvantligikaudne optimeerimisalgoritm" (2014). arXiv:1411.4028.
arXiv: 1411.4028

[5] 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". Looduskommunikatsioonid 5, 1–7 (2014).
https:///doi.org/10.1038/ncomms5213

[6] Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takita, Markus Brink, Jerry Chow ja Jay Gambetta. "Riistvarasäästlik variatsiooniline kvantomalahendaja väikeste molekulide ja kvantmagnetite jaoks". Nature 549, 242–246 (2017).
https:///doi.org/10.1038/nature23879

[7] Nikolaj Moll, Panagiotis Barkoutsos, Lev S Bishop, Jerry M Chow, Andrew Cross, Daniel J Egger, Stefan Filipp, Andreas Fuhrer, Jay M Gambetta, Marc Ganzhorn jt. "Kvantoptimeerimine lühiajaliste kvantseadmete variatsioonialgoritmide abil". Quantum Science and Technology 3, 030503 (2018).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/aab822

[8] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush ja Alán Aspuru-Guzik. "Variatsiooniliste hübriidsete kvant-klassikaliste algoritmide teooria". New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/2/023023

[9] Ying Li ja Simon C Benjamin. "Tõhus variatsiooniline kvantsimulaator, mis sisaldab aktiivset vigade minimeerimist". Physical Review X 7, 021050 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.7.021050

[10] Kosuke Mitarai, Makoto Negoro, Masahiro Kitagawa ja Keisuke Fujii. "Kvantahela õppimine". Füüsiline ülevaade A 98, 032309 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.98.032309

[11] Raphael Kaubruegger, Pietro Silvi, Christian Kokail, Rick van Bijnen, Ana Maria Rey, Jun Ye, Adam M Kaufman ja Peter Zoller. "Variatsioonilised spin-pigistamise algoritmid programmeeritavatel kvantanduritel". Füüsilise ülevaate kirjad 123, 260505 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.260505

[12] Bálint Koczor, Suguru Endo, Tyson Jones, Yuichiro Matsuzaki ja Simon C Benjamin. "Variatsioonilise oleku kvantmetroloogia". New Journal of Physics 22, 083038 (2020).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/ab965e

[13] Sam McArdle, Tyson Jones, Suguru Endo, Ying Li, Simon C Benjamin ja Xiao Yuan. "Imaginaarse aja evolutsiooni variatsiooniline ansatz-põhine kvantsimulatsioon". npj Quantum Information 5, 1–6 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0187-2

[14] 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

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

[16] Vladyslav Verteletskyi, Tzu-Ching Yen ja Artur F Izmaylov. "Mõõtmiste optimeerimine variatsioonilises kvantomalahendis, kasutades minimaalset klikikatet". The Journal of Chemical physics 152, 124114 (2020).
https:///doi.org/10.1063/1.5141458

[17] Hsin-Yuan Huang, Richard Kueng ja John Preskill. "Kvantsüsteemi paljude omaduste ennustamine väga väheste mõõtmiste põhjal". Nature Physics 16, 1050–1057 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41567-020-0932-7

[18] Charles Hadfield, Sergey Bravyi, Rudy Raymond ja Antonio Mezzacapo. "Kvanthamiltonianide mõõtmised lokaalselt kallutatud klassikaliste varjudega". Kommunikatsioonid matemaatilises füüsikas 391, 951–967 (2022).
https://doi.org/10.1007/s00220-022-04343-8

[19] Hsin-Yuan Huang, Richard Kueng ja John Preskill. "Pauli vaadeldavate andmete tõhus hindamine derandomiseerimise teel". Füüsilise ülevaate kirjad 127, 030503 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.030503

[20] Stefan Hillmich, Charles Hadfield, Rudy Raymond, Antonio Mezzacapo ja Robert Wille. "Madalate ahelatega kvantmõõtmiste otsustusskeemid". 2021. aastal toimub IEEE rahvusvaheline kvantarvutite ja -tehnoloogia konverents (QCE). Lk 24–34. IEEE (2021).
https:///doi.org/10.1109/QCE52317.2021.00018

[21] Bujiao Wu, Jinzhao Sun, Qi Huang ja Xiao Yuan. "Kattunud rühmitamise mõõtmine: ühtne raamistik kvantolekute mõõtmiseks" (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2023-01-13-896

[22] Pranav Gokhale, Olivia Angiuli, Yongshan Ding, Kaiwen Gui, Teague Tomesh, Martin Suchara, Margaret Martonosi ja Frederic T Chong. „Oleku ettevalmistamise minimeerimine variatsioonilises kvantomalahendis pendelrändeperekondadeks jagamise teel” (2019). arXiv:1907.13623.
arXiv: 1907.13623

[23] Artur F Izmaylov, Tzu-Ching Yen, Robert A Lang ja Vladyslav Verteletskyi. "Mõõtmisprobleemi ühtne jaotusmeetod variatsioonilise kvantomalahendi meetodi puhul". Journal of Chemical Theory and Computation 16, 190–195 (2019).
https:///doi.org/10.1021/acs.jctc.9b00791

[24] Ophelia Crawford, Barnaby van Straaten, Daochen Wang, Thomas Parks, Earl Campbell ja Stephen Brierley. "Pauli operaatorite tõhus kvantmõõtmine lõpliku valimivea korral". Quantum 5, 385 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-01-20-385

[25] William J Huggins, Jarrod R McClean, Nicholas C Rubin, Zhang Jiang, Nathan Wiebe, K Birgitta Whaley ja Ryan Babbush. "Tõhusad ja mürakindlad mõõtmised kvantkeemia jaoks lühiajalistes kvantarvutites". npj Quantum Information 7, 1–9 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41534-020-00341-7

[26] Ikko Hamamura ja Takashi Imamichi. "Kvantvaatluste tõhus hindamine segatud mõõtmiste abil". npj Quantum Information 6, 1–8 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41534-020-0284-2

[27] Sergey Bravyi, Jay M Gambetta, Antonio Mezzacapo ja Kristan Temme. "Kubitide kitsendamine fermiooniliste Hamiltonlaste simuleerimiseks" (2017). arXiv:1701.08213.
arXiv: 1701.08213

[28] Andrew Zhao, Andrew Tranter, William M Kirby, Shu Fay Ung, Akimasa Miyake ja Peter J Love. "Mõõtmiste vähendamine variatsioonilistes kvantalgoritmides". Füüsiline ülevaade A 101, 062322 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.101.062322

[29] Tzu-Ching Yen, Vladyslav Verteletskyi ja Artur F Izmaylov. "Kõigi ühilduvate operaatorite mõõtmine ühes ühe qubit mõõtmiste seerias, kasutades ühtseid teisendusi". Journal of Chemical Theory and Computation 16, 2400–2409 (2020).
https:///doi.org/10.1021/acs.jctc.0c00008

[30] Andrew Jena, Scott Genin ja Michele Mosca. “Pauli vaheseinad seoses väravakomplektidega” (2019). arXiv:1907.07859.
arXiv: 1907.07859

[31] Tzu-Ching Yen, Aadithya Ganeshram ja Artur F Izmaylov. "Kvantmõõtmiste deterministlikud täiustused ühilduvate operaatorite rühmitamise, mittelokaalsete teisenduste ja kovariatsioonihinnangutega" (2022).
arXiv: 2201.01471v3

[32] Seonghoon Choi, Tzu-Ching Yen ja Artur F Izmaylov. “Kvantmõõtmiste täiustamine “Ghost” Pauli toodete tutvustamisega”. Journal of Chemical Theory and Computation 18, 7394–7402 (2022).
https:///doi.org/10.1021/acs.jctc.2c00837

[33] Seonghoon Choi, Ignacio Loaiza ja Artur F Izmaylov. "Vedelikud fermionilised fragmendid elektrooniliste hamiltonianide kvantmõõtmiste optimeerimiseks variatsioonilises kvantomalahendis". Quantum 7, 889 (2023).
https://doi.org/10.22331/q-2023-01-03-889

[34] Andrew Arrasmith, Lukasz Cincio, Rolando D Somma ja Patrick J Coles. „Operaatorite proovivõtt variatsioonialgoritmide säästlikuks optimeerimiseks” (2020). arXiv:2004.06252.
arXiv: 2004.06252

[35] Gregory Boyd ja Bálint Koczor. "Variatsiooniliste kvantahelate treenimine CoVaR-iga: kovariatsioonijuure leidmine klassikaliste varjudega" (2022).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.12.041022

[36] Ting Zhang, Jinzhao Sun, Xiao-Xu Fang, Xiao-Ming Zhang, Xiao Yuan ja He Lu. "Eksperimentaalne kvantseisundi mõõtmine klassikaliste varjudega". Physical Review Letters 127, 200501 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.200501

[37] Suguru Endo, Jinzhao Sun, Ying Li, Simon C Benjamin ja Xiao Yuan. "Üldprotsesside variatsiooniline kvantsimulatsioon". Physical Review Letters 125, 010501 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.010501

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

[39] Âkov Il'ič Frenkel. “Lainemehaanika; arenenud üldteooria”. Bull. Amer. matemaatika. Soc, 41, 776 (1935).

[40] Peter Kramer ja Marcos Saraceno. "Ajast sõltuva variatsiooniprintsiibi geomeetria kvantmehaanikas". In Group Theoretical Methods in Physics: Proceedings of the IX International Collokvium Held at Cocoyoc, México, 23.–27. juuni 1980. Leheküljed 112–121. Springer (2005).
https://doi.org/10.1007/3-540-10271-X_317

[41] J Broeckhove, L Lathouwers, E Kesteloot ja P Van Leuven. "Ajast sõltuvate variatsioonipõhimõtete samaväärsuse kohta". Chem. Phys. Lett. 149, 547–550 (1988).
https://doi.org/10.1016/0009-2614(88)80380-4

[42] Artur F Izmaylov, Tzu-Ching Yen, Robert A Lang ja Vladyslav Verteletskyi. "Mõõtmisprobleemi ühtne jaotusmeetod variatsioonilise kvantomalahendi meetodi puhul". Journal of Chemical Theory and Computation 16, 190–195 (2019).
https:///doi.org/10.1021/acs.jctc.9b00791

[43] Andrew Zhao, Andrew Tranter, William M Kirby, Shu Fay Ung, Akimasa Miyake ja Peter J Love. "Mõõtmiste vähendamine variatsioonilistes kvantalgoritmides". Füüsiline ülevaade A 101, 062322 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.101.062322

[44] Tzu-Ching Yen, Vladyslav Verteletskyi ja Artur F Izmaylov. "Kõigi ühilduvate operaatorite mõõtmine ühes ühe qubit mõõtmiste seerias, kasutades ühtseid teisendusi". Journal of Chemical Theory and Computation 16, 2400–2409 (2020).
https:///doi.org/10.1021/acs.jctc.0c00008

[45] Giacomo Torlai, Guglielmo Mazzola, Giuseppe Carleo ja Antonio Mezzacapo. "Kvantvaatluste täpne mõõtmine närvivõrgu hindajatega". Physical Review Research 2, 022060 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.022060

[46] Ophelia Crawford, Barnaby van Straaten, Daochen Wang, Thomas Parks, Earl Campbell ja Stephen Brierley. "Pauli operaatorite tõhus kvantmõõtmine lõpliku valimivea korral". Quantum 5, 385 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-01-20-385

[47] William J Huggins, Jarrod R McClean, Nicholas C Rubin, Zhang Jiang, Nathan Wiebe, K Birgitta Whaley ja Ryan Babbush. "Tõhusad ja mürakindlad mõõtmised kvantkeemia jaoks lühiajalistes kvantarvutites". npj Quantum Information 7, 1–9 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41534-020-00341-7

[48] Maria Schuld, Ville Bergholm, Christian Gogolin, Josh Izaac ja Nathan Killoran. "Analüütiliste gradientide hindamine kvantriistvaras". Physical Review A 99, 032331 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.032331

[49] Barnaby van Straaten ja Bálint Koczor. "Mõõdikutega arvestavate variatsioonikvantalgoritmide mõõtmiskulud". PRX Quantum 2, 030324 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.030324

[50] Yasunari Suzuki, Yoshiaki Kawase, Yuya Masumura, Yuria Hiraga, Masahiro Nakadai, Jiabao Chen, Ken M Nakanishi, Kosuke Mitarai, Ryosuke Imai, Shiro Tamiya jt. "Qulacs: kiire ja mitmekülgne kvantahela simulaator teadusuuringute eesmärgil". Quantum 5, 559 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-10-06-559

[51] Benoı̂t Collins ja Piotr Śniady. "Integreerimine Haari mõõtu suhtes unitaarses, ortogonaalses ja sümplektilises rühmas". Communications in Mathematical Physics 264, 773–795 (2006).
https://doi.org/10.1007/s00220-006-1554-3

Viidatud

[1] Benchen Huang, Nan Sheng, Marco Govoni ja Giulia Galli, "Fermioniliste Hamiltonlaste kvantsimulatsioonid tõhusa kodeerimise ja ansatz-skeemidega", arXiv: 2212.01912, (2022).

Ülaltoodud tsitaadid on pärit SAO/NASA KUULUTUSED (viimati edukalt värskendatud 2023-05-06 01:00:39). 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 2023-05-06 01:00:37).

See raamat on avaldatud Quantum all Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) litsents. Autoriõigus jääb algsetele autoriõiguste valdajatele, näiteks autoritele või nende institutsioonidele.

SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
PlatoAiStream. Web3 andmete luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
Tuleviku rahapaja Adryenn Ashley. Juurdepääs siia.
Ostke ja müüge IPO-eelsete ettevõtete aktsiaid koos PREIPO®-ga. Juurdepääs siia.
Allikas: https://quantum-journal.org/papers/q-2023-05-04-995/

Ajatempel: Võib 4 2023

Ajatempel: Võib 24 2023

Variatsioonilise kvantsimulatsiooni mõõtmise optimeerimine klassikalise varju ja derandomiseerimisega

Taasavaldanud Platon

Abstraktne

Populaarne kokkuvõte

► BibTeX-i andmed

► Viited

Viidatud

Veel alates Quantum Journal

Juhuslikud kvantahelad on ligikaudsed ühtsed $t$-disainid sügavuses $Oleft(nt^{5+o(1)}right)$

Kvantnägemise transformaatorid

Mittetriviaalsed sümmeetriad kvantmaastikes ja nende vastupidavus kvantmürale

Kvantvälja teooria piiri saavutamine tasakaalust kaugel asuvates kvantlülimudelites

Sidusate vigade iseloomustamine ja leevendamine kinnijäänud ioonkvantprotsessoris, kasutades peidetud pöördväärtusi

Planar Honeycomb Code'i võrdlusuuringud

Kvantvõtmete jaotusmäärad poolkindlast programmeerimisest

Meist

Vertikaalne otsing ja Ai

Platvorm

Püsi ühenduses

konto