Fejkorlátozott áramköri kötés a variációs kvantumdinamikához

Újra kiadta Platón

Követő: 0

Gian Gentinetta, Friederike Metzés Giuseppe Carleo

Physics Institute, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Svájc
Kvantumtudományi és Mérnöki Központ, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Svájc

Érdekesnek találja ezt a cikket, vagy szeretne megvitatni? Scite vagy hagyjon megjegyzést a SciRate-en.

Absztrakt

A nagy kvantumrendszerek dinamikájának szimulálása félelmetes, de létfontosságú törekvés a kvantummechanikai jelenségek mélyebb megértéséhez. Míg a kvantumszámítógépek nagy ígéretekkel kecsegtetnek az ilyen szimulációk felgyorsításában, gyakorlati alkalmazásukat továbbra is akadályozza a korlátozott léptékű és átható zaj. Ebben a munkában egy olyan megközelítést javasolunk, amely kezeli ezeket a kihívásokat azáltal, hogy áramkörkötést alkalmaz egy nagy kvantumrendszer kisebb alrendszerekre történő felosztására, amelyek mindegyike külön-külön eszközön szimulálható. A rendszer fejlődését a kivetített variációs kvantumdinamika (PVQD) algoritmus vezérli, kiegészítve a variációs kvantumáramkör paramétereire vonatkozó megszorításokkal, biztosítva, hogy az áramköri kötési séma által kiváltott mintavételezési többlet szabályozható maradjon. Módszerünket olyan kvantum spin rendszereken teszteljük, amelyekben több gyengén összefonódott blokk található, amelyek mindegyike erősen korrelált spinekből áll, ahol képesek vagyunk pontosan szimulálni a dinamikát, miközben kezelhető a mintavételi többletterhelés. Továbbá megmutatjuk, hogy ugyanezzel a módszerrel csökkenthető az áramkör mélysége a nagy távolságú kapuk vágásával.

Fejkorlátozott áramköri kötés a variációs kvantumdinamikához PlatoBlockchain Data Intelligence. Függőleges keresés. Ai.

Kiemelt kép: A $|psi(varphi_{t-1})rangle$ állapotot $Delta t$ időlépéssel fejlesztjük, miközben az ansatz szerkezetét rögzítettük. Ezt a $varphi$ variációs paraméterek optimalizálásával érik el úgy, hogy a $e^{-iHDelta t}|psi(varphi_{t-1})rangle$ és az ansatz $|psi(varphi)rangle$ közötti hűség legyen maximalizálva van. A kvantumeszközök hűségének mérésére a globális kvantumáramkört aláramkörökre vágjuk áramkörkötés segítségével. Ez egy $omega(varphi)$ mintavételezési költséggel jár, ami a variációs paraméterektől függ. A többletterhelés szabályozása érdekében minden optimalizálási lépés után visszavetítjük a paramétereket az altérbe, ahol $omega(varphi) leq tau$ valamilyen $tau$ küszöbértékhez.

Népszerű összefoglaló

Ebben a munkában több gyengén korrelált alrendszerből álló kvantum soktestes rendszerek valós idejű dinamikáját szimuláljuk úgy, hogy az alrendszereket több kvantumeszközre osztjuk fel. Ezt az áramköri kötésként ismert technikával érik el, amely egy globális kvantumcsatornát kvázi valószínűségi eloszláson keresztül lokálisan megvalósítható csatornákra bont. A mérések számának többletköltsége árán ez lehetővé teszi a különböző alrendszerek közötti összefonódás klasszikus rekonstrukcióját. Általánosságban elmondható, hogy a mintavételezési többletterhelés exponenciálisan skálázódik a szimulációs idő alatt az idő múlásával növekvő alrendszerek összefonódása miatt.

Munkánk fő hozzájárulásaként egy variációs kvantumidő evolúciós algoritmust (PVQD) módosítunk oly módon, hogy a variációs paramétereket olyan altérre korlátozzuk, ahol a szükséges mintavételi többlet egy kezelhető küszöb alatt marad. Megmutatjuk, hogy ezzel a korlátozott optimalizálási algoritmussal nagy pontosságot érünk el a kvantum spinrendszerek időbeli alakulásában reális küszöbértékek esetén. A szimuláció pontossága ennek az új hiperparaméternek a hangolásával szabályozható, ami optimális eredményeket tesz lehetővé a teljes kvantumerőforrás fix költségvetése mellett.

► BibTeX adatok

@article{Gentinetta2024korlátozott, doi = {10.22331/q-2024-03-21-1296}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2024-03-21-1296}, title = {Overhead-constained circuit knitting for variational quantum dynamics}, szerző = {Gentinetta, Gian és Metz, Friederike és Carleo, Giuseppe}, folyóirat = {{Kvantum}}, issn = {2521-327X}, kiadó = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, hangerő = {8}, oldalak = {1296}, hónap = márc, év = {2024} }

► Referenciák

[1] Richard P. Feynman. „Fizika szimulációja számítógépekkel”. International Journal of Theoretical Physics 21, 467–488 (1982).
https:///doi.org/10.1007/BF02650179

[2] Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takita, Markus Brink, Jerry M. Chow és Jay M. Gambetta. „Hardver-hatékony variációs kvantum-sajátmegoldó kis molekulákhoz és kvantummágnesekhez”. Nature 549, 242–246 (2017).
https:///doi.org/10.1038/nature23879

[3] A. Chiesa, F. Tacchino, M. Grossi, P. Santini, I. Tavernelli, D. Gerace és S. Carretta. „Négydimenziós rugalmatlan neutronszórást szimuláló kvantumhardver”. Nature Physics 15, 455–459 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41567-019-0437-4

[4] Frank Arute et al. „Hartree-fock egy szupravezető qubit kvantumszámítógépen”. Science 369, 1084–1089 (2020).
https:///doi.org/10.1126/science.abb9811

[5] Frank Arute et al. „A töltés és a spin elkülönült dinamikájának megfigyelése a fermi-hubbard modellben” (2020). arXiv:2010.07965.
arXiv: 2010.07965

[6] C. Neill és mtsai. „A kvantumgyűrű elektronikus tulajdonságainak pontos kiszámítása”. Nature 594, 508–512 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03576-2

[7] J. Zhang, G. Pagano, PW Hess, A. Kyprianidis, P. Becker, H. Kaplan, AV Gorshkov, ZX Gong és C. Monroe. „Sok testből álló dinamikus fázisátalakulás megfigyelése 53 kvbites kvantumszimulátorral”. Nature 551, 601–604 (2017).
https:///doi.org/10.1038/nature24654

[8] James Dborin, Vinul Wimalaweera, F. Barratt, Eric Ostby, Thomas E. O'Brien és AG Green. „Alapállapotok és dinamikus kvantumfázis-átmenetek szimulálása szupravezető kvantumszámítógépen”. Nature Communications 13, 5977 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41467-022-33737-4

[9] Sepehr Ebadi, Tout T. Wang, Harry Levine, Alexander Keesling, Giulia Semeghini, Ahmed Omran, Dolev Bluvstein, Rhine Samajdar, Hannes Pichler, Wen Wei Ho, Soonwon Choi, Subir Sachdev, Markus Greiner, Vladan Vuletić és Mihail Lukin. . „Az anyag kvantumfázisai 256 atomos programozható kvantumszimulátoron”. Nature 595, 227–232 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03582-4

[10] Ehud Altman. „Sok test lokalizációja és kvantumtermizációja”. Nature Physics 14, 979–983 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41567-018-0305-7

[11] Wibe A. de Jong, Kyle Lee, James Mulligan, Mateusz Płoskoń, Felix Ringer és Xiaojun Yao. „A nem egyensúlyi dinamika és a termizáció kvantumszimulációja a Schwinger-modellben”. Phys. Rev. D 106, 054508 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevD.106.054508

[12] Youngseok Kim, Andrew Eddins, Sajant Anand, Ken Xuan Wei, Ewout van den Berg, Sami Rosenblatt, Hasan Nayfeh, Yantao Wu, Michael Zaletel, Kristan Temme és Abhinav Kandala. „Bizonyíték a kvantumszámítás hasznosságára a hibatűrés előtt”. Nature 618, 500–505 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06096-3

[13] Andrew M. Childs, Dmitri Maslov, Yunseong Nam, Neil J. Ross és Yuan Su. „Az első kvantumszimuláció felé kvantumgyorsítással”. Proceedings of the National Academy of Sciences 115, 9456–9461 (2018).
https:///doi.org/10.1073/pnas.1801723115

[14] Ryan Babbush, Craig Gidney, Dominic W. Berry, Nathan Wiebe, Jarrod McClean, Alexandru Paler, Austin Fowler és Hartmut Neven. „Elektronikus spektrumok kódolása lineáris t komplexitású kvantumáramkörökben”. Phys. Rev. X 8, 041015 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.8.041015

[15] Yunseong Nam és Dmitri Maslov. „Olcsó kvantumáramkörök a hamiltoni dinamikai szimulációs probléma klasszikusan megoldhatatlan eseteihez”. npj Quantum Information 5, 44 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0152-0

[16] Mario Motta, Erika Ye, Jarrod R. McClean, Zhendong Li, Austin J. Minnich, Ryan Babbush és Garnet Kin-Lic Chan. „Alacsony rangú reprezentációk az elektronikus szerkezet kvantumszimulációjához”. npj Quantum Information 7, 83 (2021).
https:///doi.org/10.1038/s41534-021-00416-z

[17] Jay Gambetta. „Az IBM Quantum útitervének kiterjesztése a kvantumcentrikus szuperszámítástechnika jövőjének előrejelzése érdekében”. url: https:///research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap-2025.
https:///research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap-2025

[18] John Preskill. „Kvantumszámítástechnika a NISQ-korszakban és azon túl”. Quantum 2, 79 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-08-06-79

[19] Sergey Bravyi, Graeme Smith és John A. Smolin. „Klasszikus és kvantumszámítási erőforrások kereskedelme”. Phys. Rev. X 6, 021043 (2016).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.6.021043

[20] Tianyi Peng, Aram W. Harrow, Maris Ozols és Xiaodi Wu. "Nagy kvantumáramkörök szimulálása kis kvantumszámítógépen". Phys. Rev. Lett. 125, 150504 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.150504

[21] Kosuke Mitarai és Keisuke Fujii. „Virtuális két qubites kapu létrehozása egy qubites műveletek mintavételével”. New Journal of Physics 23, 023021 (2021).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/abd7bc

[22] Kosuke Mitarai és Keisuke Fujii. „Nem helyi csatorna szimulálására helyi csatornákkal kvázivalószínűségi mintavételezéssel”. Quantum 5, 388 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-01-28-388

[23] Christophe Piveteau és David Sutter. „Árkörkötés klasszikus kommunikációval”. IEEE Transactions on Information Theory 1–1. oldal (2024).
https:///doi.org/10.1109/tit.2023.3310797

[24] Zhuo Fan és Quan-lin Jie. „Cluster density mátrix beágyazás elmélete kvantum spin rendszerekhez”. Phys. Rev. B 91, 195118 (2015).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.91.195118

[25] Klaas Gunst, Sebastian Wouters, Stijn De Baerdemacker és Dimitri Van Neck. „Block product density mátrix beágyazási elmélet erősen korrelált spinrendszerekhez”. Phys. Rev. B 95, 195127 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.95.195127

[26] Takeshi Yamazaki, Shunji Matsuura, Ali Narimani, Anushervon Saidmuradov és Arman Zaribafiyan. „A rövid távú kvantumszámítógépek gyakorlati alkalmazása felé a kvantumkémiai szimulációkban: A probléma dekompozíciós megközelítése” (2018). arXiv:1806.01305.
arXiv: 1806.01305

[27] Max Rossmannek, Panagiotis Kl. Barkoutsos, Pauline J. Ollitrault és Ivano Tavernelli. „Kvantum HF/DFT-beágyazási algoritmusok elektronikus szerkezetszámításokhoz: Felskálázás összetett molekuláris rendszerekre”. The Journal of Chemical Physics 154, 114105 (2021).
https:///doi.org/10.1063/5.0029536

[28] Andrew Eddins, Mario Motta, Tanvi P. Gujarati, Sergey Bravyi, Antonio Mezzacapo, Charles Hadfield és Sarah Sheldon. „A kvantumszimulátorok méretének megkétszerezése összefonódásos kovácsolással”. PRX Quantum 3, 010309 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.010309

[29] Patrick Huembeli, Giuseppe Carleo és Antonio Mezzacapo. „Összefonódás generatív neurális hálózati modellekkel” (2022). arXiv:2205.00933.
arXiv: 2205.00933

[30] Paulin de Schoulepnikoff, Oriel Kiss, Sofia Vallecorsa, Giuseppe Carleo és Michele Grossi. „Neurális Schrödinger-kovácsoláson alapuló hibrid alapállapotú kvantum algoritmusok” (2023). arXiv:2307.02633.
arXiv: 2307.02633

[31] Abigail McClain Gomez, Taylor L. Patti, Anima Anandkumar és Susanne F. Yelin. „Közeltávú elosztott kvantumszámítás középmező-korrekciókkal és segédqubitekkel” (2023). arXiv:2309.05693.
arXiv: 2309.05693

[32] Stefano Barison, Filippo Vicentini és Giuseppe Carleo. „Klasszikus variációs módszerek beágyazása kvantumáramkörökbe” (2023). arXiv:2309.08666.
arXiv: 2309.08666

[33] Xiao Yuan, Jinzhao Sun, Junyu Liu, Qi Zhao és You Zhou. „Kvantumszimuláció hibrid tenzorhálózatokkal”. Phys. Rev. Lett. 127, 040501 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.040501

[34] Jinzhao Sun, Suguru Endo, Huiping Lin, Patrick Hayden, Vlatko Vedral és Xiao Yuan. „Perturbatív kvantumszimuláció”. Phys. Rev. Lett. 129, 120505 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.120505

[35] J. Eisert, M. Cramer és MB Plenio. „Kollokvium: Az összefonódás entrópiájának területi törvényei”. Rev. Mod. Phys. 82, 277–306 (2010).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.82.277

[36] Ulrich Schollwöck. „A sűrűség-mátrix renormalizációs csoport a mátrixszorzatállapotok korában”. Annals of Physics 326, 96–192 (2011).
https:///doi.org/10.1016/j.aop.2010.09.012

[37] Jin-Guo Liu, Yi-Hong Zhang, Yuan Wan és Lei Wang. „Variációs kvantum-sajátmegoldó kevesebb qubittel”. Phys. Rev. Res. 1, 023025 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.1.023025

[38] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C. Benjamin és Xiao Yuan. „Kvantumszámítógépes kémia”. Rev. Mod. Phys. 92, 015003 (2020).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.92.015003

[39] G. Kotliar, SY Savrasov, K. Haule, VS Oudovenko, O. Parcollet és CA Marianetti. „Elektronikus szerkezetszámítások dinamikus középmező elmélettel”. Reviews of Modern Physics 78, 865–951 (2006).
https:///doi.org/10.1103/revmodphys.78.865

[40] Qiming Sun és Garnet Kin-Lic Chan. „Kvantumbeágyazási elméletek”. Accounts of Chemical Research 49, 2705–2712 (2016).
https:///doi.org/10.1021/acs.accounts.6b00356

[41] Stefano Barison, Filippo Vicentini és Giuseppe Carleo. „Egy hatékony kvantumalgoritmus a paraméterezett áramkörök időbeli alakulásához”. Quantum 5, 512 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-07-28-512

[42] PAM Dirac. „Megjegyzés a Thomas atom cserejelenségeiről”. Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 26, 376–385 (1930).
https:///doi.org/10.1017/S0305004100016108

[43] Jacov Frenkel. „Hullámmechanika: Fejlett általános elmélet”. London: Oxford University Press. (1934).
https:///doi.org/10.1017/s0025557200203604

[44] AD McLachlan. „Az időfüggő Schrodinger-egyenlet variációs megoldása”. Molecular Physics 8, 39–44 (1964).
https:///doi.org/10.1080/00268976400100041

[45] Xiao Yuan, Suguru Endo, Qi Zhao, Ying Li és Simon C. Benjamin. „A variációs kvantumszimuláció elmélete”. Quantum 3, 191 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-10-07-191

[46] Julien Gacon, Jannes Nys, Riccardo Rossi, Stefan Woerner és Giuseppe Carleo. „Változatos kvantumidőfejlődés a kvantumgeometriai tenzor nélkül”. Physical Review Research 6 (2024).
https:///doi.org/10.1103/physrevresearch.6.013143

[47] R. Cleve, A. Ekert, C. Macchiavello és M. Mosca. „A kvantum algoritmusok újralátogatása”. A Londoni Királyi Társaság közleménye. A sorozat: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 454, 339–354 (1998).
https:///doi.org/10.1098/rspa.1998.0164

[48] Vojtěch Havlíček, Antonio D. Córcoles, Kristan Temme, Aram W. Harrow, Abhinav Kandala, Jerry M. Chow és Jay M. Gambetta. „Felügyelt tanulás kvantum-bővített jellemzőterekkel”. Nature 567, 209–212 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-0980-2

[49] M. Cerezo, Akira Sone, Tyler Volkoff, Lukasz Cincio és Patrick J. Coles. „Költségfüggvénytől függő kopár platók sekély parametrizált kvantumáramkörökben”. Nature Communications 12, 1791 (2021).
https:///doi.org/10.1038/s41467-021-21728-w

[50] Tobias Haug és MS Kim. „Változatos kvantum-algoritmusok optimális képzése meddő fennsíkok nélkül” (2021). arXiv:2104.14543.
arXiv: 2104.14543

[51] Lukas Schmitt, Christophe Piveteau és David Sutter. „Vágóáramkörök több kétkbites unitáriussal” (2023). arXiv:2312.11638.
arXiv: 2312.11638

[52] Christian Ufrecht, Laura S. Herzog, Daniel D. Scherer, Maniraman Periyasamy, Sebastian Rietsch, Axel Plinge és Christopher Mutschler. „Két qubites forgókapuk optimális közös vágása” (2023). arXiv:2312.09679.
arXiv: 2312.09679

[53] Diederik P. Kingma és Jimmy Ba. „Adam: A metódus a sztochasztikus optimalizáláshoz” (2017). arXiv:1412.6980.
arXiv: 1412.6980

[54] Michael A. Nielsen és Isaac L. Chuang. „Kvantumszámítás és kvantuminformáció: 10. évfordulós kiadás”. Cambridge University Press. (2010).
https:///doi.org/10.1017/CBO9780511976667

[55] Sajant Anand, Kristan Temme, Abhinav Kandala és Michael Zaletel. „A nulla zaj extrapolációjának klasszikus összehasonlítása a pontosan ellenőrizhető rendszeren túl” (2023). arXiv:2306.17839.
arXiv: 2306.17839

[56] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J. Love, Alán Aspuru-Guzik és Jeremy L. O'Brien. „Változatos sajátérték-megoldó fotonikus kvantumprocesszoron”. Nature Communications 5, 4213 (2014).
https:///doi.org/10.1038/ncomms5213

[57] Tuhin Khare, Ritajit Majumdar, Rajiv Sangle, Anupama Ray, Padmanabha Venkatagiri Seshadri és Yogesh Simmhan. „A kvantum-klasszikus munkaterhelések párhuzamosítása: A felosztási technikák hatásának profilozása” (2023). arXiv:2305.06585.
arXiv: 2305.06585

[58] Sebastian Brandhofer, Ilia Polian és Kevin Krsulich. „Kvantumáramkörök optimális particionálása kapu- és vezetékvágásokkal” (2023). arXiv:2308.09567.
arXiv: 2308.09567

[59] Daniele Cuomo, Marcello Caleffi és Angela Sara Cacciapuoti. „Az elosztott kvantumszámítási ökoszisztéma felé”. IET Quantum Communication 1, 3–8 (2020).
https:///doi.org/10.1049/iet-qtc.2020.0002

[60] Jeff Bezanson, Alan Edelman, Stefan Karpinski és Viral B Shah. „Julia: A numerikus számítástechnika új megközelítése”. SIAM Review 59, 65–98 (2017).
https:///doi.org/10.1137/141000671

[61] Xiu-Zhe Luo, Jin-Guo Liu, Pan Zhang és Lei Wang. "Yao.jl: Bővíthető, hatékony keretrendszer a kvantum algoritmusok tervezéséhez". Quantum 4, 341 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-10-11-341

[62] Gian Gentinetta, Friederike Metz és Giuseppe Carleo. „Kód a kézirathoz Overhead-constrained circuit knitting for variational quantum dynamics”. Github (2024).
https:///doi.org/10.5281/zenodo.10829066

Idézi

[1] Travis L. Scholten, Carl J. Williams, Dustin Moody, Michele Mosca, William Hurley, William J. Zeng, Matthias Troyer és Jay M. Gambetta, „Assessing the Benefits and Risks of Quantum Computers”, „Assessing the Benefits and Risks of Quantum Computers”, arXiv: 2401.16317, (2024).

[2] Julien Gacon, „Scalable Quantum Algorithms for Noisy Quantum Computers”, arXiv: 2403.00940, (2024).

A fenti idézetek innen származnak SAO/NASA HIRDETÉSEK (utolsó sikeres frissítés: 2024-03-22 05:07:54). Előfordulhat, hogy a lista hiányos, mivel nem minden kiadó ad megfelelő és teljes hivatkozási adatokat.

On Crossref által idézett szolgáltatás művekre hivatkozó adat nem található (utolsó próbálkozás 2024-03-22 05:07:53).

Ez a tanulmány a Quantumban jelent meg Creative Commons Nevezd meg 4.0 International (CC BY 4.0) engedély. A szerzői jog az eredeti szerzői jog tulajdonosainál marad, például a szerzőknél vagy intézményeiknél.