محاسبات کوانتومی متحمل خطا از مشاهدات مولکولی

محاسبات کوانتومی متحمل خطا از مشاهدات مولکولی

تمبر زمان: 6 نوامبر 2023، 7:23 صبح

مارک استودتنر1, سام مورلی-شورت1, ویلیام پول1, سوکین سیم1, کریستین ال. کورتس2, ماتیاس لویپرسبرگر2, رابرت ام پریش2, ماتیاس دگروت3, نیکولای مول3, رافائل سانتاگاتی3و مایکل استریف3

1PsiQuantum, 700 Hansen Way, Palo Alto, CA 94304, USA
2QC Ware Corp, Palo Alto, CA 94306, USA
3آزمایشگاه کوانتومی، بوهرینگر اینگلهایم، 55218 اینگلهایم آم راین، آلمان

این مقاله را جالب می دانید یا می خواهید بحث کنید؟ SciRate را ذکر کنید یا در SciRate نظر بدهید.

چکیده

در طول سه دهه گذشته کاهش قابل توجهی در هزینه برآورد انرژی های حالت پایه همیلتونی های مولکولی با کامپیوترهای کوانتومی صورت گرفته است. با این حال، توجه نسبتا کمی به تخمین مقادیر انتظاری سایر قابل مشاهده‌ها با توجه به حالت‌های پایه ذکر شده، که برای بسیاری از کاربردهای صنعتی مهم است، شده است. در این کار ما یک الگوریتم کوانتومی تخمین ارزش انتظاری جدید (EVE) ارائه می‌کنیم که می‌تواند برای تخمین مقادیر انتظاری قابل مشاهده‌های دلخواه با توجه به هر یک از حالت‌های ویژه سیستم اعمال شود. به طور خاص، ما دو نوع EVE را در نظر می گیریم: std-EVE، بر اساس برآورد فاز کوانتومی استاندارد، و QSP-EVE، که از تکنیک های پردازش سیگنال کوانتومی (QSP) استفاده می کند. ما تجزیه و تحلیل دقیق خطا را برای هر دو نوع ارائه می‌کنیم و تعداد فاکتورهای فاز جداگانه را برای QSPEVE به حداقل می‌رسانیم. این تجزیه و تحلیل‌های خطا ما را قادر می‌سازد تا تخمین‌های منبع کوانتومی با عامل ثابت را برای std-EVE و QSP-EVE در انواع سیستم‌های مولکولی و قابل مشاهده‌ها تولید کنیم. برای سیستم‌های در نظر گرفته شده، نشان می‌دهیم که QSP-EVE تعداد گیت‌های (Toffoli) را تا سه مرتبه بزرگی کاهش می‌دهد و عرض کیوبیت را تا 25٪ در مقایسه با std-EVE کاهش می‌دهد. در حالی که تعداد منابع تخمینی برای نسل های اول کامپیوترهای کوانتومی مقاوم به خطا بسیار زیاد باقی می ماند، تخمین های ما اولین مورد از نوع خود را برای استفاده از تخمین ارزش انتظاری و تکنیک های مدرن مبتنی بر QSP نشان می دهد.

Fault-tolerant quantum computation of molecular observables PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

► داده های BibTeX

◄ مراجع

[1] دیوید پولین، متیو بی. هستینگز، دیو وکر، ناتان ویبه، اندرو سی دوبرتی و ماتیاس ترویر. "اندازه گام تروتر مورد نیاز برای شبیه سازی کوانتومی دقیق شیمی کوانتومی". اطلاعات کوانتومی محاسبه کنید. 15, 361-384 (2015).
https://doi.org/​10.5555/​2871401.2871402

[2] مارکوس ریهر، ناتان ویبه، کریستا ام. سوور، دیو وکر، و ماتیاس ترویر. توضیح مکانیسم های واکنش در کامپیوترهای کوانتومی مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم 114، 7555–7560 (2017).
https://doi.org/​10.1073/​pnas.1619152114

[3] رایان بابوش، کریگ گیدنی، دومینیک دبلیو بری، ناتان ویبه، جارود مک‌کلین، الکساندرو پالر، آستین فاولر و هارتموت نون. رمزگذاری طیف های الکترونیکی در مدارهای کوانتومی با پیچیدگی خطی T بررسی فیزیکی X 8, 041015 (2018).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevX.8.041015

[4] دومینیک دبلیو بری، کریگ گیدنی، ماریو موتا، جارود آر. مک‌کلین و رایان بابوش. "کوبیت سازی شیمی کوانتومی مبتنی بر دلخواه با اعمال نفوذ پراکندگی و فاکتورسازی رتبه پایین". Quantum 3, 208 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-12-02-208

[5] جونهو لی، دومینیک دبلیو بری، کریگ گیدنی، ویلیام جی. هاگینز، جارود آر. مک کلین، ناتان ویبی و رایان بابش. "محاسبات کوانتومی حتی کارآمدتر شیمی از طریق ابرانقباض تانسور". PRX Quantum 2, 030305 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.030305

[6] یوان سو، دومینیک دبلیو بری، ناتان ویبه، نیکلاس روبین و رایان بابوش. «شبیه‌سازی‌های کوانتومی شیمی مقاوم به خطا در کوانتیزاسیون اول». PRX Quantum 2, 040332 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.040332

[7] آیزاک اچ کیم، یه هوآ لیو، سام پالیستر، ویلیام پل، سام رابرتز و یونسئوک لی. "تخمین منبع مقاوم به خطا برای شبیه سازی های شیمیایی کوانتومی: مطالعه موردی روی مولکول های الکترولیت باتری لیتیوم". فیزیک Rev. Research 4, 023019 (2022).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.4.023019

[8] آلن دلگادو، پابلو AM Casares، روبرتو دوس ریس، مجتبی شکریان زینی، روبرتو کامپوس، نورگه کروز-هرناندز، آرن-کریستین فویگت، آنگوس لو، سوران جهانگیری، MA Martin-Delgado، Jonathan E. Mueller، و Juan Miguel Arrazola. شبیه سازی ویژگی های کلیدی باتری های لیتیوم یونی با کامپیوتر کوانتومی مقاوم به خطا فیزیک Rev. A 106, 032428 (2022).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.106.032428

[9] ورا فون بورگ، گوانگ هائو لو، توماس هانر، دامیان اس. استایگر، مارکوس ریهر، مارتین روتلر، و ماتیاس ترویر. محاسبات کوانتومی کاتالیز محاسباتی را افزایش داده است. فیزیک Rev. Res. 3, 033055 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.3.033055

[10] جاشوا جی. گوینگز، الک وایت، جونهو لی، کریستوفر اس. توترمن، ماتیاس دگروت، کریگ گیدنی، تورو شیوزاکی، رایان باببوش، و نیکلاس سی روبین. ارزیابی قابل اعتماد ساختار الکترونیکی سیتوکروم p450 در رایانه‌های کلاسیک امروزی و رایانه‌های کوانتومی فردا». مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم 119، e2203533119 (2022).
https://doi.org/​10.1073/​pnas.2203533119

[11] توماس ای اوبراین، مایکل استریف، نیکلاس سی روبین، رافائل سانتاگاتی، یوان سو، ویلیام جی هاگینز، جاشوا جی گوینگس، نیکولای مول، الیکا کیوسوا، ماتیاس دگروت، و همکاران. "محاسبات کوانتومی کارآمد نیروهای مولکولی و دیگر گرادیان های انرژی". فیزیک Rev. Res. 4, 043210 (2022).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.4.043210

[12] کریستوفر جی کرامر. "مبانی شیمی محاسباتی: نظریه ها و مدل ها". جان وایلی و پسران (2013). آدرس اینترنتی: https://www.wiley.com/​en-cn/Essentials+of+Computational+Chemistry:+Theories+and+Models,+2nd+Edition-p-9780470091821.
https://www.wiley.com/​en-cn/اصطلاحات+شیمی+محاسباتی:+نظریه+و+مدلها،+نسخه+2-p-9780470091821

[13] رافائله سانتاگاتی، آلن آسپورو-گوزیک، رایان بابوش، ماتیاس دگروت، لتیسیا گونزالس، الیکا کیوسوا، نیکولای مول، مارکوس اوپل، رابرت ام پریش، نیکلاس سی روبین، مایکل استریف، کریستوفر اس. توترمن، هورست وایس، ناتان وی، و Clemens Utschig-Utschig. "طراحی دارو در رایانه های کوانتومی" (2023). arXiv:2301.04114.
arXiv: 2301.04114

[14] کلیفورد دبلیو فونگ. "نفوذپذیری سد خونی مغزی: مکانیسم مولکولی انتقال داروها و ترکیبات مهم فیزیولوژیکی". مجله زیست شناسی غشایی 248، 651-669 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00232-015-9778-9

[15] امانوئل نیل، جراردو اورتیز و رولاندو دی ساما. "اندازه گیری کوانتومی بهینه مقادیر انتظاری قابل مشاهده ها". بررسی فیزیکی A 75, 012328 (2007).
https://doi.org/​10.1103/​physreva.75.012328

[16] ژیل براسارد، پیتر هویر، میشل موسکا و آلن تپ. "تقویت و تخمین دامنه کوانتومی". ریاضیات معاصر 305، 53-74 (2002).
https://doi.org/​10.1090/​conm/​305/​05215

[17] A. یو. کیتایف. "اندازه گیری های کوانتومی و مسئله تثبیت کننده آبلی" (1995). arXiv:quant-ph/9511026.
arXiv:quant-ph/9511026

[18] دیوید پولین و پاول ووکجان "آماده سازی حالات پایه سیستم های کوانتومی چند بدنه در یک کامپیوتر کوانتومی". Physical Review Letters 102, 130503 (2009).
https://doi.org/​10.1103/​physrevlett.102.130503

[19] دیوید پولین، الکسی کیتایف، دامیان اس. استایگر، متیو بی. هستینگز و ماتیاس ترویر. "الگوریتم کوانتومی برای اندازه گیری طیفی با تعداد دروازه های کمتر". فیزیک کشیش لِت 121, 010501 (2018).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.121.010501

[20] 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

[21] 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

[22] رویژه ژانگ، گومینگ وانگ و پیتر جانسون. "محاسبه ویژگی های حالت زمین با کامپیوترهای کوانتومی زودرس با تحمل خطا". Quantum 6, 761 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-11-761

[23] امانوئل نیل، جراردو اورتیز و رولاندو دی ساما. "اندازه گیری کوانتومی بهینه مقادیر انتظاری قابل مشاهده ها". فیزیک Rev. A 75, 012328 (2007).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.75.012328

[24] 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. ACM (51).

[25] پاتریک رال. "الگوریتم های کوانتومی برای تخمین کمیت های فیزیکی با استفاده از رمزگذاری بلوک". فیزیک Rev. A 102, 022408 (2020).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.102.022408

[26] ویلیام جی. هاگینز، کیانا وان، جارود مک کلین، توماس ای. اوبراین، ناتان ویبی، و رایان بابوش. "الگوریتم کوانتومی تقریبا بهینه برای تخمین مقادیر چندگانه انتظار". فیزیک کشیش لِت 129, 240501 (2022).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.129.240501

[27] آرجان کورنلیسن، یاسین حمودی و سوفینه جربی. الگوریتم‌های کوانتومی تقریباً بهینه برای تخمین میانگین چند متغیره. در مجموعه مقالات پنجاه و چهارمین سمپوزیوم سالانه ACM SIGACT در نظریه محاسبات. صفحه 54-33. STOC 43 نیویورک، نیویورک، ایالات متحده آمریکا (2022). انجمن ماشین های محاسباتی.
https://doi.org/​10.1145/​3519935.3520045

[28] گوانگ هائو لو و آیزاک ال. چوانگ. "شبیه سازی هامیلتونی بهینه با پردازش سیگنال کوانتومی". فیزیک کشیش لِت 118, 010501 (2017).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.118.010501

[29] 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

[30] جان ام. مارتین، زین ام. روسی، اندرو کی. تان، و آیزاک ال. چوانگ. "یکسان سازی بزرگ الگوریتم های کوانتومی". PRX Quantum 2, 040203 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.040203

[31] ویم ون دام، جی. مائورو داریانو، آرتور اکرت، کیارا ماکیاولو، و میکله موسکا. مدارهای کوانتومی بهینه برای تخمین فاز کلی فیزیک کشیش لِت 98, 090501 (2007).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.98.090501

[32] گومارو رندون، تاکو ایزوبوچی و یوتا کیکوچی. "اثرات پنجره مخروطی کسینوس بر تخمین فاز کوانتومی". فیزیک Rev. D 106, 034503 (2022).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevD.106.034503

[33] کوسوکه میتارای، کیچیرو تویویزومی و واتارو میزوکامی. "نظریه اغتشاش با پردازش سیگنال کوانتومی". Quantum 7, 1000 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-05-12-1000

[34] دومینیک دبلیو بری، ماریا کیفرووا، آرتور شرر، یووال آر. سندرز، گوانگ هائو لو، ناتان ویبه، کریگ گیدنی، و رایان بابوش. "تکنیک های بهبود یافته برای تهیه حالت های ویژه همیلتون های فرمیونی". npj Quantum Information 4, 22 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-018-0071-5

[35] 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

[36] یولونگ دونگ، لین لین و یو تانگ. "آماده سازی حالت زمین و تخمین انرژی در کامپیوترهای کوانتومی متحمل به خطا اولیه از طریق تبدیل ارزش ویژه کوانتومی ماتریس های واحد". PRX Quantum 3, 040305 (2022).
https://doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.3.040305

[37] 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

[38] ریچارد کلیو، آرتور اکرت، کیارا ماکیاولو و میشل موسکا. الگوریتم‌های کوانتومی مورد بازبینی قرار گرفتند. مجموعه مقالات انجمن سلطنتی لندن. سری A: علوم ریاضی، فیزیک و مهندسی 454، 339-354 (1998).
https://doi.org/​10.1098/​rspa.1998.0164

[39] کریگ گیدنی "نصف کردن هزینه جمع کوانتومی". Quantum 2, 74 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-06-18-74

[40] جیاسو وانگ، یولونگ دونگ و لین لین. "درباره چشم انداز انرژی پردازش سیگنال کوانتومی متقارن". Quantum 6, 850 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-11-03-850

[41] گوانگ هائو لو. پردازش سیگنال کوانتومی با دینامیک تک کیوبیتی رساله دکتری. موسسه تکنولوژی ماساچوست. (2017).

[42] یولونگ دونگ، شیانگ منگ، کی بیرگیتا ویلی و لین لین. "ارزیابی فاکتور فاز کارآمد در پردازش سیگنال کوانتومی". بررسی فیزیکی A 103, 042419 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​physreva.103.042419

[43] یولونگ دونگ، لین لین، هونگ کانگ نی و جیاسو وانگ. "پردازش سیگنال کوانتومی بی نهایت" (2022). arXiv:2209.10162.
arXiv: 2209.10162

[44] دیپتارکا هیت و مارتین هد گوردون. نظریه تابعی چگالی چقدر در پیش‌بینی گشتاورهای دوقطبی دقیق است؟ ارزیابی با استفاده از یک پایگاه داده جدید از 200 ارزش معیار. مجله نظریه و محاسبات شیمی 14، 1969-1981 (2018).
https://doi.org/​10.1021/​acs.jctc.7b01252

[45] کیمینگ سان، زینگ ژانگ، سامرگنی بانرجی، پنگ بائو، مارک باربری، نیک اس. بلانت، نیکولای آ. بوگدانوف، جورج اچ. بوث، جیا چن، ژی هائو کویی، یانوس جی. اریکسن، یانگ گائو، شنگ گوئو، جان هرمان، متیو آر. هرمس، کوین کوه، پیتر کووال، سوزی لهتولا، ژندونگ لی، جونزی لیو، ناربه ماردیروسیان، جیمز دی مک‌کلین، ماریو موتا، باستین موسارد، هونگ کیو فام، آرتم پولکین، ویراوان پوروانتو، پل جی. رابینسون، انریکو رونکا، الویرا آر. سایفوتیاروا، ماکسیمیلیان شیورر، هنری اف. شورکوس، جیمز ای تی اسمیت، چونگ سان، شی-نینگ سان، شیو آپادهای، لوکاس کی واگنر، شیائو وانگ، الک وایت، جیمز دانیل ویتفیلد، مارک جی ویلیامسون، سباستین واترز، جون یانگ، جیسون ام.یو، تیانیو ژو، تیموتی سی. برکلباخ، ساندیپ شارما، الکساندر یو. سوکولوف و گارنت کین لیک چان. "تحولات اخیر در بسته برنامه PySCF". مجله فیزیک شیمی 153، 024109 (2020).
https://doi.org/​10.1063/​5.0006074

[46] Qiming Sun، Timothy C. Berkelbach، Nick S. Blunt، George H. Booth، Sheng Guo، Zhendong Li، Junzi Liu، James D. McClain، Elvira R. Sayfutyarova، Sandeep Sharma، Sebastian Wouters، و Garnet Kin-Lic Chan. Pyscf: شبیه‌سازی‌های چارچوب شیمی مبتنی بر پایتون. WIREs Computational Molecular Science 8, e1340 (2018).
https://doi.org/​10.1002/​wcms.1340

[47] Huanchen Zhai و Garnet Kin-Lic Chan. «الگوریتم‌های گروه‌های عادی‌سازی مجدد ماتریس با چگالی از ابتدا با کارایی بالا ارتباط کم». جی. شیمی. فیزیک 154, 224116 (2021).
https://doi.org/​10.1063/​5.0050902

[48] دومینیک مارکس و یورگ هاتر دینامیک مولکولی از ابتدا: نظریه و اجرا روش ها و الگوریتم های مدرن شیمی کوانتومی 1، 141 (2000).
https://doi.org/​10.1017/​CBO9780511609633

[49] جی سی اسلیتر. "ساختار ویروسی و مولکولی". مجله فیزیک شیمی 1، 687-691 (1933).
https://doi.org/​10.1063/​1.1749227

[50] جفری کوهن، ماریو موتا و رابرت ام پریش. "مورب سازی فیلتر کوانتومی با همیلتونین های دو فاکتوری فشرده". PRX Quantum 2, 040352 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.040352

[51] گوانگ هائو لو، وادیم کلیچنیکوف و لوک شفر. "تجارت تی گیت برای کیوبیت های کثیف در آماده سازی حالت و سنتز واحد" (2018). arXiv:1812.00954.
arXiv: 1812.00954

ذکر شده توسط

[1] Ignacio Loaiza و Artur F. Izmaylov، "تغییر تقارن ثابت بلوکی: تکنیک پیش پردازش برای هامیلتونی های کوانتیزه دوم برای بهبود تجزیه آنها به ترکیب خطی واحدها". Journal of Chemical Theory and Computation acs.jctc.3c00912 (2023).

[2] الکساندر ام. دالزل، سام مک آردل، ماریو برتا، پرزمیسلاو بینیاس، چی فانگ چن، آندراس گیلین، کانر تی هان، مایکل جی. کاستوریانو، امیل تی. خابیبولین، الکساندر کوبیکا، گرانت سالتون، سامسون وانگ، و فرناندو جی‌اس‌ال برنداو، «الگوریتم‌های کوانتومی: بررسی برنامه‌ها و پیچیدگی‌های سرتاسری» arXiv: 2310.03011, (2023).

[3] کریستین ال. کورتس، ماتیاس لویپرسبرگر، رابرت ام پریش، سم مورلی-شورت، ویلیام پول، سوکین سیم، مارک استودتنر، کریستوفر اس. توترمن، ماتیاس دگروت، نیکولای مول، رافائل سانتاگاتی و مایکل استریف، -الگوریتم کوانتومی متحمل برای تئوری اغتشاش سازگار با تقارن، arXiv: 2305.07009, (2023).

[4] سوفیا سیمون، رافائل سانتاگاتی، ماتیاس دگروت، نیکولای مول، مایکل استریف و ناتان ویبه، "مقیاس‌گذاری دقیق بهبود یافته برای شبیه‌سازی دینامیک کوانتومی-کلاسیک جفت شده،" arXiv: 2307.13033, (2023).

[5] Ignacio Loaiza و Artur F. Izmaylov، "تغییر تقارن ثابت بلوکی: تکنیک پیش پردازش برای هامیلتونین های کوانتیزه دوم برای بهبود تجزیه آنها به ترکیب خطی واحدها". arXiv: 2304.13772, (2023).

نقل قول های بالا از سرویس استناد شده توسط Crossref (آخرین به روز رسانی با موفقیت 2023-11-13 12:50:11) و SAO/NASA Ads (آخرین به روز رسانی با موفقیت 2023-11-13 12:50:12). 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.

تمبر زمان:

بیشتر از مجله کوانتومی