1گروه علوم کامپیوتر، دانشگاه تگزاس در آستین، آستین، TX 78712، ایالات متحده آمریکا.
2Zapata Computing Inc., Boston, MA 02110, USA.
این مقاله را جالب می دانید یا می خواهید بحث کنید؟ SciRate را ذکر کنید یا در SciRate نظر بدهید.
چکیده
تلاش قابل توجهی در محاسبات کوانتومی کاربردی به مسئله تخمین انرژی حالت پایه برای مولکول ها و مواد اختصاص داده شده است. با این حال، برای بسیاری از کاربردهای دارای ارزش عملی، خواص اضافی حالت پایه باید تخمین زده شود. اینها شامل توابع گرین است که برای محاسبه انتقال الکترون در مواد و ماتریس های یک ذره با چگالی کاهش یافته برای محاسبه دوقطبی های الکتریکی مولکول ها استفاده می شود. در این مقاله، ما یک الگوریتم ترکیبی کوانتومی-کلاسیک را برای تخمین کارآمد چنین ویژگی‌های حالت پایه با دقت بالا با استفاده از مدارهای کوانتومی با عمق کم پیشنهاد می‌کنیم. ما تجزیه و تحلیلی از هزینه‌های مختلف (تکرارات مدار، حداکثر زمان تکامل، و کل زمان اجرا مورد انتظار) را به عنوان تابعی از دقت هدف، شکاف طیفی و همپوشانی حالت پایه اولیه ارائه می‌کنیم. این الگوریتم یک رویکرد مشخص برای استفاده از کامپیوترهای کوانتومی متحمل خطا اولیه برای انجام محاسبات مولکولی و مواد مرتبط با صنعت را پیشنهاد می‌کند.
خلاصه محبوب
► داده های BibTeX
◄ مراجع
[1] یودونگ کائو، جاناتان رومرو، و آلان آسپورو-گوزیک. پتانسیل محاسبات کوانتومی برای کشف دارو مجله تحقیق و توسعه IBM 62، 6–1 (2018).
https://doi.org/10.1147/JRD.2018.2888987
[2] یودونگ کائو، جاناتان رومرو، جاناتان پی اولسون، ماتیاس دگروت، پیتر دی جانسون، ماریا کیفرووا، ایان دی کیولیچان، تیم منکه، بورجا پروپادره، نیکلاس پی‌دی ساوایا، و همکاران. "شیمی کوانتومی در عصر محاسبات کوانتومی". بررسی های شیمیایی 119، 10856-10915 (2019).
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00803
[3] آلان آسپورو-گوزیک، آنتونی دی دوتوی، پیتر جی لاو و مارتین هد-گوردون. "محاسبات کوانتومی شبیه سازی شده انرژی های مولکولی". Science 309, 1704-1707 (2005).
https://doi.org/10.1126/science.1113479
[4] آلبرتو پروزو، جارود مک‌کلین، پیتر شادبولت، من-هنگ یونگ، شیائو-چی ژو، پیتر جی لاو، آلان آسپورو-گوزیک، و جرمی ال اوبرین. حل‌کننده ارزش ویژه متغیر در یک پردازنده کوانتومی فوتونیک. ارتباطات طبیعت 5، 1-7 (2014).
https://doi.org/10.1038/ncomms5213
[5] یگال میر و ند اس وینگرین. "فرمول لانداور برای جریان از طریق یک ناحیه الکترونی برهمکنش". نامه های بررسی فیزیکی 68، 2512 (1992).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.2512
[6] فرانک جنسن "مقدمه ای بر شیمی محاسباتی". جان وایلی و پسران (2017).
[7] توماس ای اوبراین، برونو سنژان، رامیرو ساگاستیزبال، خاویر بونت مونروگ، آلیچا دوتکیویچ، فرانچسکو بودا، لئوناردو دی کارلو و لوکاس ویشر. "محاسبه مشتقات انرژی برای شیمی کوانتومی در یک کامپیوتر کوانتومی". npj Quantum Information 5، 1–12 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0213-4
[8] آندریس آمباینیس "در مورد مشکلات جسمانی که کمی دشوارتر از qma هستند". در سال 2014 بیست و نهمین کنفرانس IEEE در مورد پیچیدگی محاسباتی (CCC). صفحات 29-32. (43).
https://doi.org/10.1109/CCC.2014.12
[9] سواگ قریبیان و جاستین یرکا. "پیچیدگی شبیه سازی اندازه گیری های محلی در سیستم های کوانتومی". Quantum 3, 189 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-09-30-189
[10] سواگ قریبیان، استیون پیدوک و جاستین یرکا. "کلاس های پیچیدگی اوراکل و اندازه گیری های محلی بر روی همیلتونیان های فیزیکی". در کریستف پل و مارکوس بلاسر، ویراستاران، سی و هفتمین سمپوزیوم بین المللی جنبه های نظری علوم کامپیوتر (STACS 37). جلد 2020 مجموعه مقالات بین المللی لایب نیتس در انفورماتیک (LIPIcs)، صفحات 154:20-1:20. داگستول، آلمان (37). Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum für Informatik.
https://doi.org/10.4230/LIPIcs.STACS.2020.20
[11] دیوید پولین و پاول ووکجان "آماده سازی حالات پایه سیستم های چند جسمی کوانتومی در یک کامپیوتر کوانتومی". نامه های بررسی فیزیکی 102، 130503 (2009).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.130503
[12] یمین جی، جوردی تورا و جی ایگناسیو سیراک. "آماده سازی سریع تر حالت پایه و تخمین انرژی زمین با دقت بالا با کیوبیت های کمتر". مجله فیزیک ریاضی 60, 022202 (2019).
https://doi.org/10.1063/1.5027484
[13] لین لین و یو تانگ. "آماده سازی حالت پایه تقریباً بهینه". Quantum 4, 372 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-14-372
[14] سام مک آردل، الکساندر مایوروف، شیائو شان، سایمون بنجامین و شیائو یوان. "شبیه سازی کوانتومی دیجیتال ارتعاشات مولکولی". علوم شیمی 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، و Jhonathan Romero. "شناسایی چالش‌ها به سمت مزیت کوانتومی عملی از طریق تخمین منابع: سد راه اندازه‌گیری در حل‌کننده ویژه کوانتومی متغیر" (2020). arXiv:2012.04001.
arXiv: 2012.04001
[16] گومینگ وانگ، داکس انشان کوه، پیتر دی جانسون، و یودونگ کائو. "به حداقل رساندن زمان اجرای تخمین در کامپیوترهای کوانتومی نویز". PRX Quantum 2, 010346 (2021).
https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.010346
[17] رایان بابوش، جارود آر مک‌کلین، مایکل نیومن، کریگ گیدنی، سرجیو بویکسو و هارتموت نون. برای مزیت کوانتومی تصحیح شده با خطا، فراتر از سرعت‌های درجه دوم تمرکز کنید. PRX Quantum 2, 010103 (2021).
https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.010103
[18] کایل ای سی بوث، برایان اوگرمن، جفری مارشال، استوارت هادفیلد و النور ریفل. "برنامه نویسی محدودیت با شتاب کوانتومی". Quantum 5, 550 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-09-28-550
[19] ارل تی کمپبل. "شبیه سازی زودهنگام تحمل خطا از مدل هابارد". علوم و فناوری کوانتومی 7، 015007 (2021).
https://doi.org/10.1088/2058-9565/ac3110
[20] لین لین و یو تانگ. "تخمین انرژی حالت زمینی محدود شده توسط هایزنبرگ برای کامپیوترهای کوانتومی متحمل خطای اولیه". PRX Quantum 3, 010318 (2022).
https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.010318
[21] دیوید لایدن. "خطای تراتر مرتبه اول از دیدگاه مرتبه دوم". فیزیک کشیش لِت 128, 210501 (2022).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.210501
[22] رولاندو دی سوما. "برآورد ارزش ویژه کوانتومی از طریق تحلیل سری های زمانی". مجله جدید فیزیک 21, 123025 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab5c60
[23] لورا کلینتون، یوهانس باوش، جوئل کلاسن و توبی کوبیت. "برآورد فاز همیلتونیان محلی بر روی سخت افزار nisq" (2021). arXiv:2110.13584.
arXiv: 2110.13584
[24] پاتریک رال. الگوریتم‌های کوانتومی منسجم سریع‌تر برای تخمین فاز، انرژی و دامنه. Quantum 5, 566 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-10-19-566
[25] دومینیک دبلیو بری، اندرو ام چایلدز، ریچارد کلیو، رابین کوتاری و رولاندو دی ساما. "شبیه سازی دینامیک هامیلتونی با سری تیلور کوتاه". نامه های بررسی فیزیکی 114، 090502 (2015). آدرس اینترنتی: doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.090502.
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.090502
[26] گوانگ هائو لو و آیزاک ال چوانگ. "شبیه سازی هامیلتونی بهینه با پردازش سیگنال کوانتومی". نامه های بررسی فیزیکی 118, 010501 (2017).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.010501
[27] اندرو ام چایلدز، دیمیتری ماسلوف، یونسونگ نام، نیل جی راس و یوان سو. "به سوی اولین شبیه سازی کوانتومی با سرعت کوانتومی". مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم 115، 9456–9461 (2018).
https://doi.org/10.1073/pnas.1801723115
[28] گوانگ هائو لو و آیزاک ال چوانگ. "شبیه سازی همیلتونی با کیوبیت سازی". Quantum 3, 163 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-12-163
[29] امانوئل نیل، جراردو اورتیز و رولاندو دی سوما. "اندازه گیری کوانتومی بهینه مقادیر انتظاری قابل مشاهده ها". بررسی فیزیکی A 75, 012328 (2007).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.75.012328
[30] جیمز دی واتسون، یوهانس باوش و سواگ قریبیان. "پیچیدگی مشکلات ترجمه ناپذیر فراتر از انرژی های حالت پایه" (2020). arXiv:2012.12717.
arXiv: 2012.12717
[31] آلبرتو پروزو، جارود مک‌کلین، پیتر شادبولت، من-هنگ یونگ، شیائو-چی ژو، پیتر جی لاو، آلان آسپورو-گوزیک، و جرمی ال اوبرین. حل‌کننده ارزش ویژه متغیر در یک پردازنده کوانتومی فوتونیک. ارتباطات طبیعت 5، 1-7 (2014).
https://doi.org/10.1038/ncomms5213
[32] جارود آر مک‌کلین، جاناتان رومرو، رایان بابوش و آلان آسپورو-گوزیک. "نظریه الگوریتم های کوانتومی-کلاسیک ترکیبی تنوع". مجله جدید فیزیک 18, 023023 (2016).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/2/023023
[33] آتیلا سابو و نیل اس اوستلوند. "شیمی کوانتومی مدرن: مقدمه ای بر نظریه ساختار الکترونیکی پیشرفته". شرکت پیک. (2012).
[34] سواگ قریبیان و فرانسوا لو گال. کوانتیزه کردن تبدیل مقدار تکین کوانتومی: سختی و کاربرد در شیمی کوانتومی و حدس pcp کوانتومی. در مجموعه مقالات پنجاه و چهارمین سمپوزیوم سالانه ACM SIGACT در نظریه محاسبات. صفحات 54-19. (32).
https://doi.org/10.1145/3519935.3519991
[35] شانتاناو چاکرابورتی، آندراس گیلین و استیسی جفری. «قدرت قدرت‌های ماتریس کدگذاری شده با بلوک: تکنیک‌های رگرسیون بهبودیافته از طریق شبیه‌سازی سریع‌تر همیلتونی». در کریستل بایر، یوآنیس شاتزیگیاناکیس، پائولا فلوکینی، و استفانو لئوناردی، ویراستاران، چهل و ششمین کنفرانس بین‌المللی اتومات، زبان‌ها و برنامه‌نویسی (ICALP 46). جلد 2019 مجموعه مقالات بین المللی لایبنیتس در انفورماتیک (LIPIcs)، صفحات 132:33-1:33. داگستول، آلمان (14). Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum fuer Informatik.
https://doi.org/10.4230/LIPIcs.ICALP.2019.33
[36] آندراس گیلین، یوان سو، گوانگ هائو لو، و ناتان ویبه. "تبدیل مقدار تکین کوانتومی و فراتر از آن: بهبودهای نمایی برای محاسبات ماتریس کوانتومی". در مجموعه مقالات پنجاه و یکمین سمپوزیوم سالانه ACM SIGACT در نظریه محاسبات. صفحات 51-193. (204).
https://doi.org/10.1145/3313276.3316366
[37] پاتریک رال. "الگوریتم های کوانتومی برای تخمین کمیت های فیزیکی با استفاده از رمزگذاری بلوک". بررسی فیزیکی A 102, 022408 (2020).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.102.022408
[38] یو تانگ، دونگ آن، ناتان ویبی و لین لین. وارونگی سریع، حل‌کننده‌های سیستم خطی کوانتومی پیش‌شرطی، محاسبه تابع سبز سریع، و ارزیابی سریع توابع ماتریس. بررسی فیزیکی A 104, 032422 (2021).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.104.032422
[39] جولیا ای رایس، تانوی پی گجراتی، ماریو موتا، تایلر وای تاکشیتا، یونسئوک لی، جوزف آ لاتون و ژانت ام گارسیا. "محاسبات کوانتومی محصولات غالب در باتری های لیتیوم-گوگرد". مجله فیزیک شیمی 154, 134115 (2021).
https://doi.org/10.1063/5.0044068
[40] تریگوه هلگاکر، پول یورگنسن و جپه اولسن. "نظریه ساختار الکترونیکی مولکولی". جان وایلی و پسران (2014).
https://doi.org/10.1002/9781119019572
[41] جیکوب تی سیلی، مارتین جی ریچارد و پیتر جی لاو. تبدیل براوی کیتایف برای محاسبات کوانتومی ساختار الکترونیکی مجله فیزیک شیمی 137, 224109 (2012).
https://doi.org/10.1063/1.4768229
[42] آرام دبلیو هارو، آوینتان حسیدیم و ست لوید. "الگوریتم کوانتومی برای سیستم های معادلات خطی". نامه های بررسی فیزیکی 103، 150502 (2009).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.150502
[43] اندرو ام چایلدز، رابین کوتاری و رولاندو دی ساما. "الگوریتم کوانتومی برای سیستم های معادلات خطی با وابستگی نمایی بهبود یافته به دقت". SIAM Journal on Computing 46، 1920-1950 (2017).
https://doi.org/10.1137/16M1087072
[44] کارلوس براوو پریتو، رایان لارز، ام. سرزو، ییگیت سوباسی، لوکاس سینسیو و پاتریک جی کولز. "حل کننده خطی کوانتومی متغیر" (2019). arXiv:1909.05820.
arXiv: 1909.05820
[45] هسین یوان هوانگ، کیشور بهارتی و پاتریک ربنتروست. "الگوریتم های کوانتومی کوتاه مدت برای سیستم های معادلات خطی با توابع از دست دادن رگرسیون". مجله جدید فیزیک 23, 113021 (2021).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac325f
[46] ییگیت سوباشی، رولاندو دی سوما و دیوید اورسوکی. الگوریتم‌های کوانتومی برای سیستم‌های معادلات خطی با الهام از محاسبات کوانتومی آدیاباتیک نامه های بررسی فیزیکی 122، 060504 (2019).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.060504
[47] دونگ آن و لین لین. "حل کننده سیستم خطی کوانتومی بر اساس محاسبات کوانتومی آدیاباتیک بهینه زمان و الگوریتم بهینه سازی تقریبی کوانتومی". معاملات ACM در محاسبات کوانتومی 3 (2022).
https://doi.org/10.1145/3498331
[48] لین لین و یو تانگ. "فیلتر حالت ویژه کوانتومی مبتنی بر چند جمله ای بهینه با کاربرد در حل سیستم های خطی کوانتومی". Quantum 4, 361 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-11-11-361
[49] Rolando D Somma و Sergio Boixo. "تقویت شکاف طیفی". SIAM Journal on Computing 42, 593-610 (2013).
https://doi.org/10.1137/120871997
[50] یوسی آتیا و دوریت آهارونوف. "پیشبرد سریع هامیلتونی ها و اندازه گیری های دقیق نمایی". ارتباطات طبیعت 8، 1-9 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41467-017-01637-7
[51] بریلین براون، استیون تی فلامیا و نوربرت شوچ. "مشکل محاسباتی محاسبه چگالی حالت ها". نامه های بررسی فیزیکی 107، 040501 (2011).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.040501
[52] استیون پی جردن، دیوید گوست و پیتر جی لاو. "مسائل کوانتومی-مرلین-آرتور-کامل برای هامیلتونین های استوکواستی و ماتریس های مارکوف". بررسی فیزیکی A 81, 032331 (2010).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.81.032331
[53] سواگ قریبیان و جیمی سیکورا. "ارتباط دولت زمینی هامیلتونی های محلی". ACM Trans. محاسبه کنید. نظریه 10 (2018).
https://doi.org/10.1145/3186587
[54] جیمز دی واتسون و یوهانس باوش. "پیچیدگی تقریب نقاط بحرانی انتقال فاز کوانتومی" (2021). arXiv:2105.13350.
arXiv: 2105.13350
ذکر شده توسط
[1] پابلو A. M. Casares، Roberto Campos و M. A. Martin-Delgado، "TFermion: کتابخانه ارزیابی هزینه دروازه غیرکلیفورد الگوریتم های تخمین فاز کوانتومی برای شیمی کوانتومی"، Quantum 6, 768 (2022).
[2] یو تانگ، «طراحی الگوریتم‌هایی برای تخمین ویژگی‌های حالت پایه در رایانه‌های کوانتومی اولیه مقاوم به خطا»، نماهای کوانتومی 6، 65 (2022).
[3] یولونگ دونگ، لین لین و یو تانگ، «آماده‌سازی حالت زمین و تخمین انرژی در رایانه‌های کوانتومی متحمل خطای اولیه از طریق تبدیل مقادیر ویژه کوانتومی ماتریس‌های واحد» arXiv: 2204.05955.
[4] پیتر دی. جانسون، الکساندر آ. کونیتسا، جروم اف. گونتیر، ماکسول دی. رادین، کورنلیو بودا، اریک جی. دوسکوسیل، کلنا ام. ابوان، و جاناتان رومرو، "کاهش هزینه برآورد انرژی در متغیرها". الگوریتم حل ویژه کوانتومی با تخمین دامنه قوی، arXiv: 2203.07275.
[5] گومینگ وانگ، سوکین سیم، و پیتر دی. جانسون، "تقویت‌کننده‌های آماده‌سازی حالت برای محاسبات کوانتومی زودرس با تحمل خطا،" arXiv: 2202.06978.
نقل قول های بالا از سرویس استناد شده توسط Crossref (آخرین به روز رسانی با موفقیت 2022-07-28 15:34:04) و SAO/NASA Ads (آخرین به روز رسانی با موفقیت 2022-07-28 15:34:05). فهرست ممکن است ناقص باشد زیرا همه ناشران داده های استنادی مناسب و کاملی را ارائه نمی دهند.
این مقاله در Quantum تحت عنوان منتشر شده است Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) مجوز. حق چاپ نزد دارندگان حق چاپ اصلی مانند نویسندگان یا مؤسسات آنها باقی می ماند.
