Alusseisundi omaduste arvutamine varajase tõrketaluvusega kvantarvutitega

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

Ruizhe Zhang¹, Guoming Wang²ja Peter Johnson²

¹Arvutiteaduse osakond, Texase ülikool Austinis, Austin, TX 78712, USA.
²Zapata Computing Inc., Boston, MA 02110, USA.

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

Abstraktne

Märkimisväärseid jõupingutusi rakendatud kvantarvutuses on tehtud molekulide ja materjalide põhiseisundi energia hindamise probleemile. Paljude praktilise väärtusega rakenduste puhul tuleb siiski hinnata põhiseisundi täiendavaid omadusi. Nende hulka kuuluvad Greeni funktsioonid, mida kasutatakse elektronide transpordi arvutamiseks materjalides, ja ühe osakese vähendatud tihedusega maatriksid, mida kasutatakse molekulide elektriliste dipoolide arvutamiseks. Selles artiklis pakume välja kvantklassikalise hübriidalgoritmi selliste põhiseisundi omaduste tõhusaks hindamiseks suure täpsusega, kasutades madala sügavusega kvantahelaid. Pakume erinevate kulude (vooluahela kordused, maksimaalne arenemisaeg ja eeldatav kogu käitusaeg) analüüsi eesmärgi täpsuse, spektraalvahe ja algse põhiseisundi kattumise funktsioonina. See algoritm soovitab konkreetset lähenemisviisi varajase tõrketaluvusega kvantarvutite kasutamiseks tööstusharu jaoks oluliste molekulaar- ja materjalide arvutuste tegemiseks.

Populaarne kokkuvõte

Varem ei olnud teada, kuidas kasutada lähiaja kvantarvutit kvantmaterjalide või -molekulide paljude kasulike omaduste usaldusväärseks arvutamiseks. Olemasolevad meetodid ei olnud kas usaldusväärsed või ei olnud lähiaja kvantarvutiga võimalikud. Selles artiklis pakutakse välja usaldusväärne, lähiajaline meetod kasulike omaduste arvutamiseks, mis ei ületa ainult Hamiltoni põhiseisundi energiat. Selle töö peamised rakendused hõlmavad materjalide ja molekulide kavandamist ning lineaarsete võrrandisüsteemide lahendamist.

► BibTeX-i andmed

@article{Zhang2022computingground, doi = {10.22331/q-2022-07-11-761}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2022-07-11-761}, title = {G}ümmarguste {S}oleku {P}omaduste arvutamine {E}varaste {F}ault-{T}olerantsete {Q}uantum {C}arvutitega}, autor = {Zhang, Ruizhe ja Wang, Guoming ja Johnson, Peter}, ajakiri = {{Kvant}}, issn = {2521-327X}, väljaandja = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, helitugevus = {6}, lehekülge = {761}, kuu = juuli, aasta = {2022} }

► Viited

[1] Yudong Cao, Jhonathan Romero ja Alán Aspuru-Guzik. "Kvantarvutite potentsiaal ravimite avastamiseks". IBM Journal of Research and Development 62, 6–1 (2018).
https:///doi.org/10.1147/JRD.2018.2888987

[2] Yudong Cao, Jonathan Romero, Jonathan P Olson, Matthias Degroote, Peter D Johnson, Mária Kieferová, Ian D Kivlichan, Tim Menke, Borja Peropadre, Nicolas PD Sawaya jt. "Kvantkeemia kvantarvutite ajastul". Chemical Reviews 119, 10856–10915 (2019).
https:///doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00803

[3] Alán Aspuru-Guzik, Anthony D Dutoi, Peter J Love ja Martin Head-Gordon. "Molekulaarsete energiate simuleeritud kvantarvutus". Science 309, 1704–1707 (2005).
https:///doi.org/10.1126/science.1113479

[4] 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

[5] Yigal Meir ja Ned S Wingreen. "Landaueri valem interakteeruvat elektronipiirkonda läbiva voolu jaoks". Physical Review letters 68, 2512 (1992).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.2512

[6] Frank Jensen. "Sissejuhatus arvutuskeemiasse". John Wiley ja pojad. (2017).

[7] Thomas E O'Brien, Bruno Senjean, Ramiro Sagastizabal, Xavier Bonet-Monroig, Alicja Dutkiewicz, Francesco Buda, Leonardo DiCarlo ja Lucas Visscher. "Kvantkeemia energiaderivaatide arvutamine kvantarvutis". npj Quantum Information 5, 1–12 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0213-4

[8] Andris Ambainis. "Füüsiliste probleemide kohta, mis on veidi raskemad kui qma". 2014. aastal toimus IEEE 29. arvutusliku keerukuse konverents (CCC). Lk 32–43. (2014).
https:///doi.org/10.1109/CCC.2014.12

[9] Sevag Gharibian ja Justin Yirka. "Kvantsüsteemide kohalike mõõtmiste simuleerimise keerukus". Quantum 3, 189 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-09-30-189

[10] Sevag Gharibian, Stephen Piddock ja Justin Yirka. "Oracle'i keerukuse klassid ja füüsilised Hamiltonlased kohalikud mõõtmised". Toimetajad Christophe Paul ja Markus Bläser, 37. rahvusvaheline arvutiteaduse teoreetiliste aspektide sümpoosion (STACS 2020). Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs) 154. köide, lk 20:1–20:37. Dagstuhl, Saksamaa (2020). Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum für Informatik.
https:///doi.org/10.4230/LIPIcs.STACS.2020.20

[11] David Poulin ja Pawel Wocjan. "Kvant-mitmekehasüsteemide põhiseisundite ettevalmistamine kvantarvutis". Füüsilise ülevaate kirjad 102, 130503 (2009).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.130503

[12] Yimin Ge, Jordi Tura ja J Ignacio Cirac. "Kiirem põhiseisundi ettevalmistamine ja ülitäpne maapinna energia hindamine vähemate kubitidega". Journal of Mathematical Physics 60, 022202 (2019).
https:///doi.org/10.1063/1.5027484

[13] Lin Lin ja Yu Tong. Peaaegu optimaalse põhiseisundi ettevalmistamine. Quantum 4, 372 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-14-372

[14] Sam McArdle, Aleksander Mayorov, Xiao Shan, Simon Benjamin ja Xiao Yuan. "Molekulaarsete vibratsioonide digitaalne kvantsimulatsioon". Chemical Science 10, 5725–5735 (2019).
https:///doi.org/10.1039/C9SC01313J

[15] Jérôme F. Gonthier, Maxwell D. Radin, Corneliu Buda, Eric J. Doskocil, Clena M. Abuan ja Jhonathan Romero. „Praktilise kvanteelise saavutamise väljakutsete tuvastamine ressursside hindamise kaudu: mõõtmise takistus variatsioonilises kvant-omalahendis” (2020). arXiv:2012.04001.
arXiv: 2012.04001

[16] Guoming Wang, Dax Enshan Koh, Peter D Johnson ja Yudong Cao. "Hinnangu tööaja minimeerimine mürarikastes kvantarvutites". PRX Quantum 2, 010346 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.010346

[17] Ryan Babbush, Jarrod R McClean, Michael Newman, Craig Gidney, Sergio Boixo ja Hartmut Neven. "Veaparandatud kvanteelise saavutamiseks keskenduge kaugemale ruutkiirusest." PRX Quantum 2, 010103 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.010103

[18] Kyle EC Booth, Bryan O'Gorman, Jeffrey Marshall, Stuart Hadfield ja Eleanor Rieffel. "Kvantkiirendatud piirangute programmeerimine". Quantum 5, 550 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-09-28-550

[19] Earl T Campbell. "Hubbardi mudeli varajased tõrketaluvad simulatsioonid". Quantum Science and Technology 7, 015007 (2021).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/ac3110

[20] Lin Lin ja Yu Tong. "Heisenbergi piiratud põhiseisundi energiahinnang varajase tõrketaluvusega kvantarvutite jaoks". PRX Quantum 3, 010318 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.010318

[21] David Layden. "Esimese järgu traavli viga teise järgu vaatenurgast". Phys. Rev. Lett. 128, 210501 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.210501

[22] Rolando D Somma. "Kvantomaväärtuse hindamine aegridade analüüsi abil". New Journal of Physics 21, 123025 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab5c60

[23] Laura Clinton, Johannes Bausch, Joel Klassen ja Toby Cubitt. "Kohalike hamiltonlaste faasihinnang nisq riistvaras" (2021). arXiv:2110.13584.
arXiv: 2110.13584

[24] Patrick Rall. "Kiiremad koherentsed kvantalgoritmid faasi, energia ja amplituudi hindamiseks". Quantum 5, 566 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-10-19-566

[25] Dominic W Berry, Andrew M Childs, Richard Cleve, Robin Kothari ja Rolando D Somma. "Hamiltoni dünaamika simuleerimine kärbitud taylori seeriaga". Füüsilise ülevaate kirjad 114, 090502 (2015). url: doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.090502.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.090502

[26] Guang Hao Low ja Isaac L Chuang. "Optimaalne Hamiltoni simulatsioon kvantsignaalitöötluse abil". Füüsilise ülevaate kirjad 118, 010501 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.010501

[27] 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

[28] Guang Hao Low ja Isaac L Chuang. "Hamiltoni simulatsioon qubitiseerimise teel". Quantum 3, 163 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-12-163

[29] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz ja Rolando D Somma. "Jälgitavate objektide ootusväärtuste optimaalsed kvantmõõtmised". Physical Review A 75, 012328 (2007).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.75.012328

[30] James D. Watson, Johannes Bausch ja Sevag Gharibian. „Tõlkeliselt muutumatute probleemide keerukus väljaspool põhiolekuenergiat” (2020). arXiv:2012.12717.
arXiv: 2012.12717

[31] 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

[32] 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

[33] Attila Szabo ja Neil S Ostlund. "Kaasaegne kvantkeemia: sissejuhatus täiustatud elektroonilise struktuuri teooriasse". Kulleri korporatsioon. (2012).

[34] Sevag Gharibian ja François Le Gall. "Kvant-ainsuse väärtuse teisenduse dekvantiseerimine: kõvadus ja rakendused kvantkeemias ja kvant-pcp oletus". In Proceedings of the 54th Annual ACM SIGACT Symposium on Theory of Computing. Lk 19–32. (2022).
https:///doi.org/10.1145/3519935.3519991

[35] Shantanav Chakraborty, András Gilyén ja Stacey Jeffery. "Plokkkodeeritud maatriksjõudude jõud: täiustatud regressioonitehnikad kiirema Hamiltoni simulatsiooni abil". Christel Baier, Ioannis Chatzigiannakis, Paola Flocchini ja Stefano Leonardi, 46. rahvusvahelise automaatide, keelte ja programmeerimise kollokviumi (ICALP 2019) toimetajad. Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs) 132. köide, lk 33:1–33:14. Dagstuhl, Saksamaa (2019). Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum fuer Informatik.
https:///doi.org/10.4230/LIPIcs.ICALP.2019.33

[36] András Gilyén, Yuan Su, Guang Hao Low ja Nathan Wiebe. "Kvant-ainsuse väärtuse teisendus ja kaugemalegi: kvantmaatriksi aritmeetika eksponentsiaalsed täiustused". In Proceedings of the 51st Annual ACM SIGACT Symposium on Theory of Computing. Lk 193–204. (2019).
https:///doi.org/10.1145/3313276.3316366

[37] Patrick Rall. "Kvantalgoritmid füüsikaliste suuruste hindamiseks plokkkodeeringu abil". Füüsiline ülevaade A 102, 022408 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.102.022408

[38] Yu Tong, Dong An, Nathan Wiebe ja Lin Lin. "Kiire inversioon, eelkonditsioneeritud kvantlineaarse süsteemi lahendajad, kiire Greeni funktsiooni arvutamine ja maatriksfunktsioonide kiire hindamine". Physical Review A 104, 032422 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.104.032422

[39] Julia E Rice, Tanvi P Gujarati, Mario Motta, Tyler Y Takeshita, Eunseok Lee, Joseph A Latone ja Jeannette M Garcia. "Liitium-väävelpatareide domineerivate toodete kvantarvutus". The Journal of Chemical Physics 154, 134115 (2021).
https:///doi.org/10.1063/5.0044068

[40] Trygve Helgaker, Poul Jorgensen ja Jeppe Olsen. "Molekulaarelektroonilise struktuuri teooria". John Wiley ja pojad. (2014).
https:///doi.org/10.1002/9781119019572

[41] Jacob T Seeley, Martin J Richard ja Peter J Love. "Bravyi-Kitajevi teisendus elektroonilise struktuuri kvantarvutamiseks". The Journal of Chemical physics 137, 224109 (2012).
https:///doi.org/10.1063/1.4768229

[42] Aram W Harrow, Avinatan Hassidim ja Seth Lloyd. "Lineaarsete võrrandisüsteemide kvantalgoritm". Füüsilise ülevaate kirjad 103, 150502 (2009).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.150502

[43] Andrew M Childs, Robin Kothari ja Rolando D Somma. "Kvantalgoritm lineaarvõrrandisüsteemide jaoks, mille sõltuvus on eksponentsiaalselt paranenud täpsusest". SIAM Journal on Computing 46, 1920–1950 (2017).
https:///doi.org/10.1137/16M1087072

[44] Carlos Bravo-Prieto, Ryan LaRose, M. Cerezo, Yigit Subasi, Lukasz Cincio ja Patrick J. Coles. "Variatsiooniline kvantlineaarne lahendaja" (2019). arXiv:1909.05820.
arXiv: 1909.05820

[45] Hsin-Yuan Huang, Kishor Bharti ja Patrick Rebentrost. "Lähiajalised kvantalgoritmid regressioonikao funktsioonidega lineaarsete võrrandisüsteemide jaoks". New Journal of Physics 23, 113021 (2021).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/ac325f

[46] Yiğit Subaşı, Rolando D Somma ja Davide Orsucci. "Adiabaatilisest kvantarvutusest inspireeritud lineaarvõrrandisüsteemide kvantalgoritmid". Füüsilise ülevaate kirjad 122, 060504 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.060504

[47] Dong An ja Lin Lin. "Kvantlineaarse süsteemi lahendaja, mis põhineb ajaoptimaalsel adiabaatilisel kvantarvutamisel ja kvantumbkaudsel optimeerimisalgoritmil". ACM Transactions on Quantum Computing 3 (2022).
https:///doi.org/10.1145/3498331

[48] Lin Lin ja Yu Tong. "Optimaalne polünoomipõhine kvantomaseisundi filtreerimine koos rakendusega kvantlineaarsete süsteemide lahendamiseks". Quantum 4, 361 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-11-11-361

[49] Rolando D Somma ja Sergio Boixo. "Spektrilõhe võimendus". SIAM Journal on Computing 42, 593–610 (2013).
https:///doi.org/10.1137/120871997

[50] Yosi Atia ja Dorit Aharonov. "Hamiltonlaste edasisuunamine ja eksponentsiaalselt täpsed mõõtmised". Looduskommunikatsioonid 8, 1–9 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41467-017-01637-7

[51] Brielin Brown, Steven T Flammia ja Norbert Schuch. "Olekute tiheduse arvutamise raskused". Füüsilise ülevaate kirjad 107, 040501 (2011).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.040501

[52] Stephen P Jordan, David Gosset ja Peter J Love. "Kvant-merlin-arthur – stoquastiliste hamiltonianide ja markovi maatriksite täielikud probleemid". Physical Review A 81, 032331 (2010).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.81.032331

[53] Sevag Gharibian ja Jamie Sikora. "Kohalike hamiltonlaste maapealne ühenduvus". ACM Trans. Arvuta. Teooria 10 (2018).
https:///doi.org/10.1145/3186587

[54] James D. Watson ja Johannes Bausch. "Kvantfaasisiirete kriitiliste punktide lähendamise keerukus" (2021). arXiv:2105.13350.
arXiv: 2105.13350

Viidatud

[1] Pablo A. M. Casares, Roberto Campos ja M. A. Martin-Delgado, "TFermion: Kvantkeemia kvantfaaside hinnangute algoritmide mitte-Cliffordi värava kulude hindamise raamatukogu", Quantum 6 768 (2022).

[2] Yu Tong, “Algoritmide kavandamine varajase tõrketaluvusega kvantarvutite põhiseisundi omaduste hindamiseks”, Quantum Views 6, 65 (2022).

[3] Yulong Dong, Lin Lin ja Yu Tong, "Alusseisundi ettevalmistamine ja energia hindamine varajases tõrketaluvusega kvantarvutites unitaarmaatriksite kvantomaväärtuste teisendamise kaudu", arXiv: 2204.05955.

[4] Peter D. Johnson, Alexander A. Kunitsa, Jérôme F. Gonthier, Maxwell D. Radin, Corneliu Buda, Eric J. Doskocil, Clena M. Abuan ja Jhonathan Romero, „Reducing the cost of energy estimation in the variational Kvantomalahendaja algoritm koos tugeva amplituudihinnanguga", arXiv: 2203.07275.

[5] Guoming Wang, Sukin Sim ja Peter D. Johnson, "State Preparation Boosters for Early Fault-Tolerant Quantum Computation" arXiv: 2202.06978.

Ülaltoodud tsitaadid on pärit Crossrefi viidatud teenus (viimati edukalt värskendatud 2022-07-28 15:34:04) ja SAO/NASA KUULUTUSED (viimati edukalt värskendatud 2022-07-28 15:34:05). Loend võib olla puudulik, kuna mitte kõik väljaandjad ei esita sobivaid ja täielikke viiteandmeid.

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.