1Tietojenkäsittelytieteen laitos, Texasin yliopisto, Austin, Austin, TX 78712, USA.
2Zapata Computing Inc., Boston, MA 02110, USA.
Onko tämä artikkeli mielenkiintoinen vai haluatko keskustella? Scite tai jätä kommentti SciRate.
Abstrakti
Merkittäviä ponnisteluja sovelletussa kvanttilaskennassa on omistettu molekyylien ja materiaalien perustilan energian arvioinnin ongelmalle. Silti monissa käytännön arvoisissa sovelluksissa perustilan lisäominaisuuksia on arvioitava. Näitä ovat Greenin funktiot, joita käytetään elektronien kuljetuksen laskemiseen materiaaleissa, ja yhden hiukkasen alennetun tiheyden matriisit, joita käytetään molekyylien sähköisten dipolien laskemiseen. Tässä artikkelissa ehdotamme kvanttiklassista hybridi-algoritmia tällaisten maatilan ominaisuuksien tehokkaaseen arvioimiseen suurella tarkkuudella käyttämällä matalasyvyisiä kvanttipiirejä. Tarjoamme analyysin erilaisista kustannuksista (piirin toistot, maksimaalinen kehitysaika ja odotettu kokonaiskesto) tavoitetarkkuuden, spektrivälin ja alkuperäisen maatilan päällekkäisyyden funktiona. Tämä algoritmi ehdottaa konkreettista lähestymistapaa varhaisten vikasietoisten kvanttitietokoneiden käyttämiseen teollisuuden kannalta tärkeiden molekyyli- ja materiaalilaskelmien suorittamiseen.
Suosittu yhteenveto
► BibTeX-tiedot
► Viitteet
[1] Yudong Cao, Jhonathan Romero ja Alán Aspuru-Guzik. "Kvanttilaskennan potentiaali lääkekehitykseen". 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 jne. "Kvanttikemia kvanttilaskennan aikakaudella". 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. "Molekyylienergioiden simuloitu kvanttilaskenta". 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. "Vaihteleva ominaisarvon ratkaisija fotonisessa kvanttiprosessorissa". Luontoviestintä 5, 1–7 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213
[5] Yigal Meir ja Ned S Wingreen. "Landauerin kaava vuorovaikutteisen elektronialueen läpi kulkevalle virralle". Physical Review Lets 68, 2512 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.2512
[6] Frank Jensen. "Johdatus laskennalliseen kemiaan". John Wiley & Sons. (2017).
[7] Thomas E O'Brien, Bruno Senjean, Ramiro Sagastizabal, Xavier Bonet-Monroig, Alicja Dutkiewicz, Francesco Buda, Leonardo DiCarlo ja Lucas Visscher. "Energiajohdannaisten laskeminen kvanttikemialle kvanttitietokoneella". npj Quantum Information 5, 1–12 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0213-4
[8] Andris Ambainis. "Fyysisistä ongelmista, jotka ovat hieman vaikeampia kuin qma". Vuonna 2014 IEEE 29th Conference on Computational Complexity (CCC). Sivut 32-43. (2014).
https: / / doi.org/ 10.1109 / CCC.2014.12
[9] Sevag Gharibian ja Justin Yirka. "Paikallisten mittausten simuloinnin monimutkaisuus kvanttijärjestelmissä". Quantum 3, 189 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-09-30-189
[10] Sevag Gharibian, Stephen Piddock ja Justin Yirka. "Oraclen monimutkaisuusluokat ja paikalliset mittaukset fyysisillä hamiltonilaisilla". Julkaisussa Christophe Paul ja Markus Bläser, toimittajat, 37th International Symposium on Theoretical Aspects of Computer Science (STACS 2020). Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs), nide 154, sivut 20:1–20:37. Dagstuhl, Saksa (2020). Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum für Informatik.
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.STACS.2020.20
[11] David Poulin ja Pawel Wocjan. "Kvanttimonikehojärjestelmien perustilojen valmistelu kvanttitietokoneella". Physical Review letters 102, 130503 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.130503
[12] Yimin Ge, Jordi Tura ja J Ignacio Cirac. "Nopeampi perustilan valmistelu ja erittäin tarkka maaenergian estimointi vähemmällä kubitilla". Journal of Mathematical Physics 60, 022202 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1063 / +1.5027484
[13] Lin Lin ja Yu Tong. "Lähes optimaalinen perustilan valmistelu". Quantum 4, 372 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-14-372
[14] Sam McArdle, Alexander Mayorov, Xiao Shan, Simon Benjamin ja Xiao Yuan. "Molekyylivärähtelyjen digitaalinen kvanttisimulaatio". 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. "Käytännön kvanttietujen haasteiden tunnistaminen resurssien estimoinnilla: mittauksen esto variaatiokvantin ominaisratkaisussa" (2020). arXiv:2012.04001.
arXiv: 2012.04001
[16] Guoming Wang, Dax Enshan Koh, Peter D Johnson ja Yudong Cao. "Estimointiajon ajan minimoiminen meluisissa kvanttitietokoneissa". 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. "Keskity neliöllisiin nopeuksiin saadaksesi virhekorjatun kvanttiedun." 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. "Kvanttikiihdytetty rajoitusohjelmointi". Quantum 5, 550 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-09-28-550
[19] Earl T Campbell. "Hubbard-mallin varhaiset vikasietoiset simulaatiot". Quantum Science and Technology 7, 015007 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ac3110
[20] Lin Lin ja Yu Tong. "Heisenbergin rajoittama maatilan energian arvio varhaisten vikasietoisten kvanttitietokoneiden osalta". PRX Quantum 3, 010318 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010318
[21] David Layden. "Ensimmäisen asteen ravivirhe toisen asteen näkökulmasta". Phys. Rev. Lett. 128, 210501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.210501
[22] Rolando D Somma. "Kvanttiominaisarvon estimointi aikasarjaanalyysin avulla". 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. "Phase estimation of Local Hamiltonians on nisq hardware" (2021). arXiv:2110.13584.
arXiv: 2110.13584
[24] Patrick Rall. "Nopeammat koherentit kvanttialgoritmit vaiheen, energian ja amplitudin estimointiin". 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. "Hamiltonin dynamiikan simulointi katkaistulla taylor-sarjalla". Fyysinen katsastuskirjeet 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. "Optimaalinen Hamiltonin simulointi kvanttisignaalin käsittelyllä". Fyysinen katsastuskirjeet 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. "Kohti ensimmäistä kvanttisimulaatiota kvanttinopeudella". 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. "Hamiltonin simulointi qubitisoinnilla". Quantum 3, 163 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-12-163
[29] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz ja Rolando D Somma. "Optimaaliset kvanttimittaukset havainnoitavien kohteiden odotusarvoista". Physical Review A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328
[30] James D. Watson, Johannes Bausch ja Sevag Gharibian. "Päätilan energioiden ulkopuolisten translaation invarianttien ongelmien monimutkaisuus" (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. "Vaihteleva ominaisarvon ratkaisija fotonisessa kvanttiprosessorissa". Luontoviestintä 5, 1–7 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213
[32] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush ja Alán Aspuru-Guzik. "Kvantti-klassisten algoritmien variaatiohybridi-algoritmien teoria". New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/2/023023
[33] Attila Szabo ja Neil S Ostlund. "Moderni kvanttikemia: johdatus edistyneeseen elektroniikkarakenneteoriaan". Courier Corporation. (2012).
[34] Sevag Gharibian ja François Le Gall. "Kvantti-singulaarisen arvon muunnoksen dekvantisointi: Kovuus ja sovellukset kvanttikemiaan ja kvantti-pcp-oletuksiin". Proceedings of the 54th Annual ACM SIGACT Symposium on Theory of Computing. Sivut 19-32. (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / +3519935.3519991
[35] Shantanav Chakraborty, András Gilyén ja Stacey Jeffery. "Lohkokoodattujen matriisivoimien voima: Parannetut regressiotekniikat nopeamman Hamiltonin simulaation avulla". Teoksessa Christel Baier, Ioannis Chatzigiannakis, Paola Flocchini ja Stefano Leonardi, toimittajat, 46th International Colloquium on Automata, Languages and Programming (ICALP 2019). Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs), nide 132, sivut 33:1–33:14. Dagstuhl, Saksa (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. "Kvanttiyksikköarvon muunnos ja sen jälkeen: eksponentiaalisia parannuksia kvanttimatriisiaritmetiikkaan". Proceedings of the 51st Annual ACM SIGACT Symposium on Theory of Computing. Sivut 193-204. (2019).
https: / / doi.org/ 10.1145 / +3313276.3316366
[37] Patrick Rall. "Kvanttialgoritmit fyysisten suureiden arvioimiseen lohkokoodauksilla". Physical Review A 102, 022408 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.022408
[38] Yu Tong, Dong An, Nathan Wiebe ja Lin Lin. "Nopea inversio, esikäsitellyt lineaarisen kvanttijärjestelmän ratkaisijat, nopea Greenin funktiolaskenta ja nopea matriisifunktioiden arviointi". 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. "Litium-rikkiakkujen hallitsevien tuotteiden kvanttilaskenta". The Journal of Chemical Physics 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / +5.0044068
[40] Trygve Helgaker, Poul Jorgensen ja Jeppe Olsen. "Molekylaarisen elektronisen rakenteen teoria". John Wiley & Sons. (2014).
https: / / doi.org/ 10.1002 / +9781119019572
[41] Jacob T Seeley, Martin J Richard ja Peter J Love. "Bravyi-kitaev-muunnos elektronisen rakenteen kvanttilaskentaan". The Journal of Chemical physics 137, 224109 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1063 / +1.4768229
[42] Aram W Harrow, Avinatan Hassidim ja Seth Lloyd. "Kvanttialgoritmi lineaarisille yhtälöjärjestelmille". Fyysinen katsastuskirjeet 103, 150502 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502
[43] Andrew M Childs, Robin Kothari ja Rolando D Somma. "Kvanttialgoritmi lineaarisille yhtälöjärjestelmille, joilla on eksponentiaalisesti parannettu riippuvuus tarkkuudesta". 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. "Variational quantum linear solver" (2019). arXiv:1909.05820.
arXiv: 1909.05820
[45] Hsin-Yuan Huang, Kishor Bharti ja Patrick Rebentrost. "Lähiajan kvanttialgoritmit lineaarisille yhtälöjärjestelmille regressiohäviöfunktioilla". New Journal of Physics 23, 113021 (2021).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/ac325f
[46] Yiğit Subaşı, Rolando D Somma ja Davide Orsucci. "Kvanttialgoritmit lineaarisille yhtälöjärjestelmille, jotka ovat saaneet vaikutteita adiabaattisesta kvanttilaskennasta". Fyysinen katsastuskirjeet 122, 060504 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.060504
[47] Dong An ja Lin Lin. "Kvanttilineaarinen järjestelmäratkaisin, joka perustuu aikaoptimaaliseen adiabaattiseen kvanttilaskentaan ja kvanttilikimääräiseen optimointialgoritmiin". ACM Transactions on Quantum Computing 3 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / +3498331
[48] Lin Lin ja Yu Tong. "Optimaalinen polynomipohjainen kvanttiominaistilan suodatus, jota voidaan soveltaa kvanttilineaaristen järjestelmien ratkaisemiseen". Quantum 4, 361 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-11-11-361
[49] Rolando D Somma ja Sergio Boixo. "Spektrivälin vahvistus". SIAM Journal on Computing 42, 593–610 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1137 / +120871997
[50] Yosi Atia ja Dorit Aharonov. "Hamiltonialaisten pikakelaus ja eksponentiaalisesti tarkat mittaukset". Luontoviestintä 8, 1–9 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41467-017-01637-7
[51] Brielin Brown, Steven T Flammia ja Norbert Schuch. "Tilojen tiheyden laskemisen laskentavaikeus". Fyysinen katsastuskirjeet 107, 040501 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.040501
[52] Stephen P Jordan, David Gosset ja Peter J Love. "Kvantti-merlin-arthur – täydelliset ongelmat stoquastisille hamiltonilaisille ja markovin matriiseille". Physical Review A 81, 032331 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.032331
[53] Sevag Gharibian ja Jamie Sikora. "Paikallisten hamiltonilaisten maatilayhteydet". ACM Trans. Comput. Teoria 10 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1145 / +3186587
[54] James D. Watson ja Johannes Bausch. "Kvanttifaasisiirtymien kriittisten pisteiden lähentämisen monimutkaisuus" (2021). arXiv:2105.13350.
arXiv: 2105.13350
Viitattu
[1] Pablo AM Casares, Roberto Campos ja MA Martin-Delgado, "TFermion: Kvanttikemian kvanttifaasiestimointialgoritmien ei-Clifford-portin kustannusarviokirjasto", Kvantti 6, 768 (2022).
[2] Yu Tong, "Algoritmien suunnittelu maatilan ominaisuuksien arvioimiseksi varhaisten vikasietoisten kvanttitietokoneiden osalta", Kvanttinäkymät 6., 65. (2022).
[3] Yulong Dong, Lin Lin ja Yu Tong, "Pohjatilan valmistelu ja energian arviointi varhaisten vikasietoisten kvanttitietokoneiden avulla unitaaristen matriisien kvanttiomiarvomuunnoksen avulla", 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 variational kvanttiominaisratkaisijaalgoritmi, jossa on vahva amplitudiarvio", arXiv: 2203.07275.
[5] Guoming Wang, Sukin Sim ja Peter D. Johnson, "State Preparation Boosters for Early Fault-Tolerant Quantum Computation", arXiv: 2202.06978.
Yllä olevat sitaatit ovat peräisin Crossrefin siteerattu palvelu (viimeksi päivitetty onnistuneesti 2022-07-28 15:34:04) ja SAO: n ja NASA: n mainokset (viimeksi päivitetty onnistuneesti 2022-07-28 15:34:05). Lista voi olla puutteellinen, koska kaikki julkaisijat eivät tarjoa sopivia ja täydellisiä viittaustietoja.
Tämä kirja on julkaistu Quantum - lehdessä Creative Commons Nimeäminen 4.0 Kansainvälinen (CC BY 4.0) lisenssin. Tekijänoikeudet säilyvät alkuperäisillä tekijänoikeuksien haltijoilla, kuten tekijöillä tai heidän instituutioillaan.
