Vikasietoinen kvanttilaskenta molekyylihavainnoista

Vikasietoinen kvanttilaskenta molekyylihavainnoista

Aikaleima: 6. marraskuuta 2023 7

Mark Steudtner1, Sam Morley-Short1, William Pol1, Sukin Sim1, Cristian L. Cortes2, Matthias Loipersberger2, Robert M. Parrish2, Matthias Degroote3, Nikolaj Moll3, Raffaele Santagati3ja Michael Streif3

1PsiQuantum, 700 Hansen Way, Palo Alto, CA 94304, USA
2QC Ware Corp, Palo Alto, CA 94306, USA
3Quantum Lab, Boehringer Ingelheim, 55218 Ingelheim am Rhein, Saksa

Onko tämä artikkeli mielenkiintoinen vai haluatko keskustella? Scite tai jätä kommentti SciRate.

Abstrakti

Viimeisten kolmen vuosikymmenen aikana on tehty merkittäviä alennuksia kustannuksissa, jotka aiheutuvat molekyylihamiltonilaisten perustilaenergian arvioinnista kvanttitietokoneilla. Kuitenkin verrattain vähän huomiota on kiinnitetty muiden havaittavien odotusarvojen arvioimiseen suhteessa mainittuihin perustiloihin, mikä on tärkeää monille teollisille sovelluksille. Tässä työssä esittelemme uuden odotusarvon estimoinnin (EVE) kvanttialgoritmin, jota voidaan soveltaa mielivaltaisten havaintojen odotusarvojen estimoimiseen minkä tahansa järjestelmän ominaistilan suhteen. Tarkastellaan erityisesti kahta EVE-muunnelmaa: std-EVE, joka perustuu standardiin kvanttivaiheestimointiin, ja QSP-EVE, joka hyödyntää kvanttisignaalinkäsittelytekniikoita (QSP). Tarjoamme tiukan virheanalyysin molemmille versioille ja minimoimme QSPEVEn yksittäisten vaihekertoimien määrän. Näiden virheanalyysien avulla voimme tuottaa vakiokertoimen kvanttiresurssiestimaatteja sekä std-EVE:lle että QSP-EVE:lle erilaisissa molekyylijärjestelmissä ja havainnoitavissa. Tarkastetuille järjestelmille osoitamme, että QSP-EVE vähentää (Toffoli) porttilukuja jopa kolmella suuruusluokalla ja pienentää kubitin leveyttä jopa 25 % verrattuna std-EVE:hen. Vaikka arvioidut resurssien määrät ovat edelleen aivan liian korkeita vikasietoisten kvanttitietokoneiden ensimmäisille sukupolville, arviomme ovat ensimmäinen laatuaan sekä odotusarvojen arvioinnin että nykyaikaisten QSP-pohjaisten tekniikoiden osalta.

Vikasietoinen molekyylihavaittavien kvanttilaskenta PlatoBlockchain Data Intelligence. Pystysuuntainen haku. Ai.

► BibTeX-tiedot

► Viitteet

[1] David Poulin, Matthew B. Hastings, Dave Wecker, Nathan Wiebe, Andrew C. Doberty ja Matthias Troyer. "Kvanttikemian tarkkaan kvantisimulaatioon tarvittava ravin askelkoko". Kvantti Info. Comput. 15, 361–384 (2015).
https: / / doi.org/ 10.5555 / +2871401.2871402

[2] Markus Reiher, Nathan Wiebe, Krysta M. Svore, Dave Wecker ja Matthias Troyer. "Kvanttitietokoneiden reaktiomekanismien selvittäminen". Proceedings of the National Academy of Sciences 114, 7555–7560 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1619152114

[3] Ryan Babbush, Craig Gidney, Dominic W Berry, Nathan Wiebe, Jarrod McClean, Alexandru Paler, Austin Fowler ja Hartmut Neven. "Elektronisten spektrien koodaus kvanttipiireissä, joissa on lineaarinen T-monimutkaisuus". Physical Review X 8, 041015 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[4] Dominic W. Berry, Craig Gidney, Mario Motta, Jarrod R. McClean ja Ryan Babbush. "Mielivaltaisen perustan kvanttikemian kvbitisointi, joka hyödyntää harvalukuisuutta ja matalaluokkaista tekijöitä". Quantum 3, 208 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-12-02-208

[5] Joonho Lee, Dominic W. Berry, Craig Gidney, William J. Huggins, Jarrod R. McClean, Nathan Wiebe ja Ryan Babbush. "Väljä tehokkaammat kemian kvanttilaskut tensorihyperkontraktsioonin avulla". PRX Quantum 2, 030305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030305

[6] Yuan Su, Dominic W. Berry, Nathan Wiebe, Nicholas Rubin ja Ryan Babbush. "Kemian vikasietoiset kvanttisimulaatiot ensimmäisessä kvantisoinnissa". PRX Quantum 2, 040332 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040332

[7] Isaac H. Kim, Ye-Hua Liu, Sam Pallister, William Pol, Sam Roberts ja Eunseok Lee. "Vikasietoisten resurssien arvio kvanttikemiallisille simulaatioille: Li-ion-akkujen elektrolyyttimolekyylejä koskeva tapaustutkimus". Phys. Rev. Research 4, 023019 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.023019

[8] Alain Delgado, Pablo A. M. Casares, Roberto dos Reis, Modjtaba Shokrian Zini, Roberto Campos, Norge Cruz-Hernández, Arne-Christian Voigt, Angus Lowe, Soran Jahangiri, M. A. Martin-Delgado, Jonathan E. Mueller ja Juan Miguel. "Litiumioniakkujen tärkeimpien ominaisuuksien simulointi vikasietoisella kvanttitietokoneella". Phys. Rev. A 106, 032428 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.106.032428

[9] Vera von Burg, Guang Hao Low, Thomas Häner, Damian S. Steiger, Markus Reiher, Martin Roetteler ja Matthias Troyer. "Kvanttilaskennan tehostettu laskennallinen katalyysi". Phys. Rev. Res. 3, 033055 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.033055

[10] Joshua J. Goings, Alec White, Joonho Lee, Christofer S. Tautermann, Matthias Degroote, Craig Gidney, Toru Shiozaki, Ryan Babbush ja Nicholas C. Rubin. "Sytokromi p450:n elektronisen rakenteen luotettava arviointi nykypäivän klassisissa tietokoneissa ja huomisen kvanttitietokoneissa." Proceedings of the National Academy of Sciences 119, e2203533119 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.2203533119

[11] Thomas E O’Brien, Michael Streif, Nicholas C Rubin, Raffaele Santagati, Yuan Su, William J Huggins, Joshua J Goings, Nikolaj Moll, Elica Kyoseva, Matthias Degroote jne. "Molekyylivoimien ja muiden energiagradienttien tehokas kvanttilaskenta". Phys. Rev. Res. 4, 043210 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.043210

[12] Christopher J Cramer. "Laskennallisen kemian perusteet: teorioita ja malleja". John Wiley & Sons. (2013). url: https://​/​www.wiley.com/​en-cn/​Essentials+of+Computational+Chemistry:+Theories+and+Models,+2nd+Edition-p-9780470091821.
https://​/​www.wiley.com/​en-cn/​Essentials+of+Computational+Chemistry:+Theories+and+Models,+2nd+Edition-p-9780470091821

[13] Raffaele Santagati, Alan Aspuru-Guzik, Ryan Babbush, Matthias Degroote, Leticia Gonzalez, Elica Kyoseva, Nikolaj Moll, Markus Oppel, Robert M. Parrish, Nicholas C. Rubin, Michael Streif, Christofer S. Tautermann, Horst Weiss, Nathan Wiebe, ja Clemens Utschig-Utschig. "Lääkesuunnittelu kvanttitietokoneilla" (2023). arXiv:2301.04114.
arXiv: 2301.04114

[14] Clifford W Fong. "Veri-aivoesteen läpäisevyys: lääkkeiden ja fysiologisesti tärkeiden yhdisteiden kuljetusmekanismit". The Journal of membrānbiologia 248, 651–669 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00232-015-9778-9

[15] 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

[16] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca ja Alain Tapp. "Kvanttiamplitudin vahvistus ja estimointi". Contemporary Mathematics 305, 53–74 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1090 / conm / 305/05215

[17] A. Yu. Kitaev. "Kvanttimittaukset ja Abelin stabilisaattoriongelma" (1995). arXiv:quant-ph/​9511026.
arXiv: kvant-ph / 9511026

[18] David Poulin ja Pawel Wocjan. "Kvanttimonikehojärjestelmien pohjatilojen valmistelu kvanttitietokoneessa". Physical Review Letters 102, 130503 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.102.130503

[19] David Poulin, Aleksei Kitaev, Damian S. Steiger, Matthew B. Hastings ja Matthias Troyer. "Kvanttialgoritmi spektrimittaukseen pienemmällä porttimäärällä". Phys. Rev. Lett. 121, 010501 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.010501

[20] 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

[21] Lin Lin ja Yu Tong. "Lähes optimaalinen perustilan valmistelu". Quantum 4, 372 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-12-14-372

[22] Ruizhe Zhang, Guoming Wang ja Peter Johnson. "Maatilan ominaisuuksien laskeminen varhaisten vikasietoisten kvanttitietokoneiden kanssa". Quantum 6, 761 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-11-761

[23] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz ja Rolando D. Somma. "Optimaaliset kvanttimittaukset havainnoitavien kohteiden odotusarvoista". Phys. Rev. A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328

[24] 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. ACM (2019).

[25] Patrick Rall. "Kvanttialgoritmit fyysisten suureiden arvioimiseen lohkokoodauksilla". Phys. Rev. A 102, 022408 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.022408

[26] William J. Huggins, Kianna Wan, Jarrod McClean, Thomas E. O’Brien, Nathan Wiebe ja Ryan Babbush. "Lähes optimaalinen kvanttialgoritmi useiden odotusarvojen arvioimiseen". Phys. Rev. Lett. 129, 240501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.240501

[27] Arjan Cornelissen, Yassine Hamoudi ja Sofiene Jerbi. "Lähes optimaaliset kvanttialgoritmit monimuuttujakeskiarvon estimointiin". Proceedings of the 54th Annual ACM SIGACT Symposium on Theory of Computing. Sivut 33–43. STOC 2022 New York, NY, USA (2022). Tietotekniikan liitto.
https: / / doi.org/ 10.1145 / +3519935.3520045

[28] Guang Hao Low ja Isaac L. Chuang. "Optimaalinen Hamiltonin simulointi kvanttisignaalin käsittelyllä". Phys. Rev. Lett. 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501

[29] Patrick Rall. "Nopeammat koherentit kvanttialgoritmit vaihe-, energia- ja amplitudiarviointiin". Quantum 5, 566 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-10-19-566

[30] John M. Martyn, Zane M. Rossi, Andrew K. Tan ja Isaac L. Chuang. "Kvanttialgoritmien suuri yhdistäminen". PRX Quantum 2, 040203 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040203

[31] Wim van Dam, G. Mauro D’Ariano, Artur Ekert, Chiara Macchiavello ja Michele Mosca. "Optimaaliset kvanttipiirit yleiseen vaiheestimointiin". Phys. Rev. Lett. 98, 090501 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.090501

[32] Gumaro Rendon, Taku Izubuchi ja Yuta Kikuchi. "Kosinin kapenevan ikkunan vaikutukset kvanttivaiheen arviointiin". Phys. Rev. D 106, 034503 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.106.034503

[33] Kosuke Mitarai, Kiichiro Toyoizumi ja Wataru Mizukami. "Häiriöteoria kvanttisignaalin käsittelyllä". Quantum 7, 1000 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-05-12-1000

[34] Dominic W. Berry, Mária Kieferová, Artur Scherer, Yuval R. Sanders, Guang Hao Low, Nathan Wiebe, Craig Gidney ja Ryan Babbush. "Parannetut tekniikat fermionisten hamiltonien ominaistilojen valmistamiseksi". npj Quantum Information 4, 22 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-018-0071-5

[35] Guang Hao Low ja Isaac L. Chuang. "Hamiltonin simulaatio qubitisaatiolla". Quantum 3, 163 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-07-12-163

[36] Yulong Dong, Lin Lin ja Yu Tong. "Maatilan valmistelu ja energian estimointi varhaisen vikasietoisissa kvanttitietokoneissa unitaaristen matriisien kvanttiomiarvomuunnoksen avulla". PRX Quantum 3, 040305 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.040305

[37] Earl T Campbell. "Hubbard-mallin varhaiset vikasietoiset simulaatiot". Quantum Science and Technology 7, 015007 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ac3110

[38] Richard Cleve, Artur Ekert, Chiara Macchiavello ja Michele Mosca. "Kvanttialgoritmit tarkistettiin". Proceedings of the Royal Society of London. A-sarja: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 454, 339–354 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.1998.0164

[39] Craig Gidney. "Kvanttilisäyksen kustannusten puolittaminen". Quantum 2, 74 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-06-18-74

[40] Jiasu Wang, Yulong Dong ja Lin Lin. "Symmetrisen kvanttisignaalinkäsittelyn energiamaisemasta". Quantum 6, 850 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-11-03-850

[41] Guang Hao Low. "Kvanttisignaalin käsittely yhden qubitin dynamiikalla". Tohtorin väitöskirja. Massachusettsin Teknologian Instituutti. (2017).

[42] Yulong Dong, Xiang Meng, K. Birgitta Whaley ja Lin Lin. "Tehokas vaihekertoimen arviointi kvanttisignaalin käsittelyssä". Physical Review A 103, 042419 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.103.042419

[43] Yulong Dong, Lin Lin, Hongkang Ni ja Jiasu Wang. "Ääretön kvanttisignaalin käsittely" (2022). arXiv:2209.10162.
arXiv: 2209.10162

[44] Diptarka Hait ja Martin Head-Gordon. "Kuinka tarkka tiheysfunktionaalinen teoria on dipolimomenttien ennustamisessa? Arviointi käyttäen uutta 200 vertailuarvon tietokantaa”. Journal of Chemical Theory and Computation 14, 1969–1981 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.7b01252

[45] Qiming Sun, Xing Zhang, Samragni Banerjee, Peng Bao, Marc Barbry, Nick S. Blunt, Nikolay A. Bogdanov, George H. Booth, Jia Chen, Zhi-Hao Cui, Janus J. Eriksen, Yang Gao, Sheng Guo, Jan Hermann, Matthew R. Hermes, Kevin Koh, Peter Koval, Susi Lehtola, Zhendong Li, Junzi Liu, Narbe Mardirossian, James D. McClain, Mario Motta, Bastien Mussard, Hung Q. Pham, Artem Pulkin, Wirawan Purwanto, Paul J. Robinson, Enrico Ronca, Elvira R. Sayfutyarova, Maximilian Scheurer, Henry F. Schurkus, James E. T. Smith, Chong Sun, Shi-Ning Sun, Shiv Upadhyay, Lucas K. Wagner, Xiao Wang, Alec White, James Daniel Whitfield, Mark J Williamson, Sebastian Wouters, Jun Yang, Jason M. Yu, Tianyu Zhu, Timothy C. Berkelbach, Sandeep Sharma, Alexander Yu. Sokolov ja Garnet Kin-Lic Chan. "PySCF-ohjelmapaketin viimeaikainen kehitys". The Journal of Chemical Physics 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 ja Garnet Kin-Lic Chan. "Pyscf: kemian kehyksen python-pohjaiset simulaatiot". WIREs Computational Molecular Science 8, e1340 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1002 / wcms.1340

[47] Huanchen Zhai ja Garnet Kin-Lic Chan. "Low communication high performance ab initio density matrix renormalisation group algoritms". J. Chem. Phys. 154, 224116 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / +5.0050902

[48] Dominik Marx ja Jurg Hutter. "Ab initio molekyylidynamiikka: teoria ja toteutus". Kvanttikemian nykyaikaiset menetelmät ja algoritmit 1, 141 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511609633

[49] J. C. Slater. "Virus- ja molekyylirakenne". The Journal of Chemical Physics 1, 687–691 (1933).
https: / / doi.org/ 10.1063 / +1.1749227

[50] Jeffrey Cohn, Mario Motta ja Robert M. Parrish. "Kvanttisuodattimen diagonalisointi pakatuilla kaksoiskertoimisilla hamiltonianilla". PRX Quantum 2, 040352 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040352

[51] Guang Hao Low, Vadym Kliuchnikov ja Luke Schaeffer. "T-porttien vaihto likaisille kubiteille tilan valmistelussa ja yhtenäissynteesissä" (2018). arXiv:1812.00954.
arXiv: 1812.00954

Viitattu

[1] Ignacio Loaiza ja Artur F. Izmaylov, "Block-invariant Symmetry Shift: Preprocessing Technique for Second-quantized Hamiltonians to Improve their Decompositions to Linear Combination of Unitaries", Journal of Chemical Theory and Computation acs.jctc.3c00912 (2023).

[2] Alexander M. Dalzell, Sam McArdle, Mario Berta, Przemyslaw Bienias, Chi-Fang Chen, András Gilyén, Connor T. Hann, Michael J. Kastoryano, Emil T. Khabiboulline, Aleksander Kubica, Grant Salton, Samson Wang ja Fernando GSL Brandão, "Kvanttialgoritmit: Tutkimus sovelluksista ja päästä päähän -monimutkaisuuteen", arXiv: 2310.03011, (2023).

[3] Cristian L. Cortes, Matthias Loipersberger, Robert M. Parrish, Sam Morley-Short, William Pol, Sukin Sim, Mark Steudtner, Christofer S. Tautermann, Matthias Degroote, Nikolaj Moll, Raffaele Santagati ja Michael Streif, "Fault -tolerantti kvanttialgoritmi symmetriaan sovitetulle häiriöteorialle", arXiv: 2305.07009, (2023).

[4] Sophia Simon, Raffaele Santagati, Matthias Degroote, Nikolaj Moll, Michael Streif ja Nathan Wiebe, "Parannettu tarkkuusskaalaus kytketyn kvanttiklassisen dynamiikan simulointiin", arXiv: 2307.13033, (2023).

[5] Ignacio Loaiza ja Artur F. Izmaylov, "Block-Invariant Symmetry Shift: Esikäsittelytekniikka toiseksi kvantisoiduille hamiltonilaisille niiden hajoamisen parantamiseksi yksikköjen lineaariseksi yhdistelmäksi", arXiv: 2304.13772, (2023).

Yllä olevat sitaatit ovat peräisin Crossrefin siteerattu palvelu (viimeksi päivitetty onnistuneesti 2023-11-13 12:50:11) ja SAO: n ja NASA: n mainokset (viimeksi päivitetty onnistuneesti 2023-11-13 12:50:12). 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.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Quantum Journal