Kontrol Optimal Variasi Berbasis Pulsa Untuk Komputasi Kuantum Hibrid

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Robert de Keijzer, Oliver Tse, dan Servaas Kokkelmans

Universitas Teknologi Eindhoven, PO Box 513, 5600 MB Eindhoven, Belanda
Eindhoven Hendrik Casimir Institute, PO Box 513, 5600 MB Eindhoven, Belanda

Apakah makalah ini menarik atau ingin dibahas? Scite atau tinggalkan komentar di SciRate.

Abstrak

Karya ini mempelajari algoritma kuantum variasional berbasis pulsa (VQA), yang dirancang untuk menentukan keadaan dasar sistem mekanika kuantum dengan menggabungkan perangkat keras klasik dan kuantum. Berbeda dengan metode berbasis gerbang yang lebih standar, metode berbasis pulsa bertujuan untuk mengoptimalkan secara langsung pulsa laser yang berinteraksi dengan qubit, daripada menggunakan rangkaian berbasis gerbang berparametri. Menggunakan formalisme matematis dari kontrol optimal, pulsa laser ini dioptimalkan. Metode ini telah digunakan dalam komputasi kuantum untuk mengoptimalkan pulsa untuk implementasi gerbang kuantum, namun baru-baru ini diusulkan untuk optimasi penuh di VQA. Metode berbasis pulsa memiliki beberapa keunggulan dibandingkan metode berbasis gerbang seperti persiapan keadaan yang lebih cepat, implementasi yang lebih sederhana, dan kebebasan yang lebih besar dalam bergerak melalui ruang keadaan. Berdasarkan gagasan tersebut, kami menyajikan pengembangan metode variasi berbasis adjoint baru. Metode ini dapat disesuaikan dan diterapkan pada komputer kuantum atom netral. Metode kontrol optimal kuantum variasional berbasis pulsa ini mampu memperkirakan keadaan dasar molekul dari molekul sederhana hingga akurasi kimia dan mampu bersaing dengan pemecah eigen kuantum variasional berbasis gerbang dalam hal jumlah total evaluasi kuantum. Total waktu evolusi $T$ dan bentuk kendali Hamiltonian $H_c$ merupakan faktor penting dalam perilaku konvergensi energi keadaan dasar, keduanya memiliki pengaruh pada batas kecepatan kuantum dan kemampuan pengendalian sistem.

Kontrol Optimal Variasi Kuantum berbasis pulsa untuk komputasi kuantum hibrid PlatoBlockchain Data Intelligence. Pencarian Vertikal. Ai.

Gambar unggulan: Proses evolusi yang setara digunakan untuk membandingkan VQE berbasis gerbang dan VQOC berbasis pulsa dalam masalah energi keadaan dasar. VQE dilakukan pada ansatz yang hemat perangkat keras dengan lapisan $d$ gerbang ZXZ bergantian dan keterjeratan melalui drift Hamiltonian. VQOC dijalankan dengan fungsi konstanta sepotong-sepotong yang terdiri dari $N$ langkah

Ringkasan populer

Algoritme kuantum variasional (VQA) dipandang sebagai pekerja keras komputasi kuantum era saat ini. Algoritme ini dirancang untuk menentukan keadaan dasar sistem mekanika kuantum dengan menggabungkan perangkat keras klasik dan kuantum. Di era ini, kesalahan akibat noise dan dekoherensi masih banyak terjadi. Untuk mengurangi dampak ini, algoritme harus dijalankan dalam skala waktu sesingkat mungkin.

VQA saat ini sering kali menggunakan rangkaian gerbang kuantum berparametri untuk mempersiapkan keadaan dasar suatu sistem. Gerbang-gerbang ini dieksekusi oleh pulsa-pulsa yang berinteraksi dengan qubit-qubit, dan dengan demikian seluruh rangkaian dapat dilihat sebagai gabungan dari banyak pulsa-pulsa kecil, yang menghasilkan satu pulsa besar. Mengoptimalkan pulsa ini dengan segera alih-alih parameter gerbang menghasilkan pendekatan berbasis pulsa. Metode berbasis pulsa memiliki beberapa keunggulan dibandingkan metode berbasis gerbang seperti persiapan keadaan yang lebih cepat, implementasi yang lebih sederhana, dan kebebasan yang lebih besar dalam bergerak melalui ruang keadaan. Metode VQOC berbasis pulsa kami mampu menyatu dengan keadaan dasar masalah molekuler dengan T lebih rendah dibandingkan algoritma berbasis gerbang, sehingga mengurangi efek dekoherensi.

► data BibTeX

@article{deKeijzer2023pulsebased, doi = {10.22331/q-2023-01-26-908}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-01-26-908}, title = {Berbasis pulsa {V}ariasional {Q}uantum {O}ptimal {C}kontrol untuk komputasi kuantum hibrid}, penulis = {de Keijzer, Robert dan Tse, Oliver dan Kokkelmans, Servaas}, jurnal = {{Quantum}}, issn = { 2521-327X}, penerbit = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volume = {7}, halaman = {908}, bulan = Januari, tahun = {2023} }

► Referensi

[1] AB Magann, C. Arenz, MD Grace, T.-S. Ho, RL Kosut, JR McClean, HA Rabitz, dan M. Sarovar, PRX Quantum 2, 010101 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010101

[2] OR Meitei, BT Gard, GS Barron, DP Pappas, SE Economou, E. Barnes, dan NJ Mayhall, npj Quantum Information 7, 155 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41534-021-00493-0

[3] A. Choquette, A. Di Paolo, PK Barkoutsos, D. Sénéchal, I. Tavernelli, dan A. Blais, Phys. Penelitian Pdt 3, 023092 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.023092

[4] J.Preskill, Quantum 2, 79 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-08-06-79

[5] F. Arute, K. Arya, R. Babbush, D. Bacon, JC Bardin, dkk., Alam 574, 505 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5

[6] A. Kandala, A. Mezzacapo, K. Temme, M. Takita, M. Brink, JM Chow, dan JM Gambetta, Nature 549, 242 (2017), arXiv:1704.05018 [quant-ph].
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23879
arXiv: 1704.05018

[7] C. Hempel, C. Maier, J. Romero, J. McClean, T. Monz, H. Shen, P. Jurcevic, BP Lanyon, P. Love, R. Babbush, A. Aspuru-Guzik, R. Blatt, dan CF Roos, Phys. Pdt. X 8, 031022 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.031022

[8] A. Aspuru-Guzik dan P. Walther, Fisika Alam 8 (2012), 10.1038/nphys2253.
https:///doi.org/10.1038/nphys2253

[9] TE O'Brien, P. Rożek, dan AR Akhmerov, Phys. Pendeta Lett. 120, 220504 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.220504

[10] F. Arute, K. Arya, R. Babbush, D. Bacon, JC Bardin, R. Barends, dkk., Sains 369, 1084 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.abb9811

[11] M. Cerezo, A. Arrasmith, R. Babbush, SC Benjamin, S. Endo, K. Fujii, JR McClean, K. Mitarai, X. Yuan, L. Cincio, dan PJ Coles, (2020), arXiv:2012.09265 [ kuantitas-ph].
https://doi.org/10.1038/s42254-021-00348-9
arXiv: 2012.09265

[12] K. Bharti, A. Cervera-Lierta, TH Kyaw, T. Haug, S. Alperin-Lea, A. Anand, M. Degroote, H. Heimonen, JS Kottmann, T. Menke, W.-K. Mok, S.Sim, L.-C. Kwek, dan A. Aspuru-Guzik, Pdt. Mod. Fis. 94, 015004 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.94.015004

[13] T. Propson, BE Jackson, J. Koch, Z. Manchester, dan DI Schuster, Phys. Pdt. Diterapkan 17, 014036 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.17.014036

[14] SJ Glaser, U. Boscain, T. Calarco, CP Koch, W. Köckenberger, R. Kosloff, I. Kuprov, B. Luy, S. Schirmer, T. Schulte-Herbrüggen, D. Sugny, dan FK Wilhelm, Orang Eropa Jurnal Fisika D 69, 279 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1140 / epjd / e2015-60464-1

[15] MM Müller, DM Reich, M. Murphy, H. Yuan, J. Vala, KB Whaley, T. Calarco, dan CP Koch, Phys. Pdt.A 84, 042315 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.84.042315

[16] N. Khaneja, T. Reiss, C. Kehlet, T. Schulte-Herbrüggen, dan SJ Glaser, Jurnal Resonansi Magnetik 172, 296 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.jmr.2004.11.004

[17] P. Doria, T. Calarco, dan S. Montangero, Phys. Pendeta Lett. 106, 190501 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.190501

[18] S. McArdle, S. Endo, A. Aspuru-Guzik, SC Benjamin, dan X. Yuan, Rev. Mod. Fisika. 92, 015003 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.015003

[19] Karya ini mempertimbangkan sistem satuan Hartree di mana $hbar =1$.

[20] DJ Griffiths dan DF Schroeter, Pengantar mekanika kuantum (Cambridge University Press, 2020).

[21] S. Deffner dan S. Campbell, Jurnal Fisika A: Matematika dan Teori 50, 453001 (2017).
https://doi.org/10.1088/1751-8121/aa86c6

[22] MH Goerz, T. Calarco, dan CP Koch, Jurnal Fisika B: Fisika Atom, Molekuler dan Optik 44, 154011 (2011).
https://doi.org/10.1088/0953-4075/44/15/154011

[23] T. Caneva, M. Murphy, T. Calarco, R. Fazio, S. Montangero, V. Giovannetti, dan GE Santoro, Phys. Pdt. Lett. 103, 240501 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.240501

[24] A. Peruzzo, J. McClean, P. Shadbolt, M.-H. Yung, X.-Q. Zhou, PJ Love, A. Aspuru-Guzik, dan JL O'Brien, Nature Communications 5, 4213 (2014), arXiv:1304.3061 [quant-ph].
https:///doi.org/10.1038/ncomms5213
arXiv: 1304.3061

[25] DA Fedorov, B. Peng, N. Govind, dan Y. Alexeev, Teori Material 6, 2 (2022).
https://doi.org/10.1186/s41313-021-00032-6

[26] C.Gogolin, G.-L. Anselmetti, D. Wierichs, dan RM Parrish, Jurnal Fisika Baru (2021).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac2cb3

[27] RJPT de Keijzer, VE Colussi, B. Škorić, dan SJJMF Kokkelmans, (2021), arXiv:2102.01781 [quant-ph].
https: / / doi.org/ 10.1116 / 5.0076435
arXiv: 2102.01781

[28] WM Kirby dan PJ Love, Phys. Pdt. Lett. 127, 110503 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.110503

[29] AJC Woitzik, PK Barkoutsos, F. Wudarski, A. Buchleitner, dan I. Tavernelli, Phys. Pdt.A 102, 042402 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.042402

[30] JC Spall, Transaksi IEEE pada Sistem Dirgantara dan Elektronik 34, 817 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 7.705889

[31] O. Crawford, B. v. Straaten, D. Wang, T. Parks, E. Campbell, dan S. Brierley, Quantum 5, 385 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-01-20-385

[32] Y. Cao, J. Romero, JP Olson, M. Degroote, PD Johnson, M. Kieferová, ID Kivlichan, T. Menke, B. Peropadre, NPD Sawaya, S. Sim, L. Veis, dan A. Aspuru-Guzik , Ulasan Kimia 119, 10856 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.8b00803

[33] A. Asthana, C. Liu, OR Meitei, SE Economou, E. Barnes, dan NJ Mayhall, (2022), 10.48550/ARXIV.2203.06818.
https:///doi.org/10.48550/ARXIV.2203.06818

[34] S. Jandura dan G. Pupillo, Quantum 6, 712 (2022).
https://doi.org/10.22331/q-2022-05-13-712

[35] Y. Atia, Y. Elias, T. Mor, dan Y. Weinstein, Jurnal Internasional Informasi Kuantum 12, 1450031 (2014), https://doi.org/10.1142/S0219749914500312.
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0219749914500312
arXiv: https://doi.org/10.1142/S0219749914500312

[36] Y. Baum, M. Amico, S. Howell, M. Hush, M. Liuzzi, P. Mundada, T. Merkh, AR Carvalho, dan MJ Biercuk, PRX Quantum 2, 040324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040324

[37] L. Xiao dan JA Jones, Phys. Pdt.A 73, 032334 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.73.032334

[38] JA Jones, Fis. Pdt.A 87, 052317 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.052317

[39] W. Zhu, J. Botina, dan H. Rabitz, Jurnal Fisika Kimia 108, 1953 (1998), https://doi.org/10.1063/1.475576.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.475576
arXiv: https: //doi.org/10.1063/1.475576

[40] M. Schuld, V. Bergholm, C. Gogolin, J. Izaac, dan N. Killoran, Phys. Pdt.A 99, 032331 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032331

[41] S. Butenko dan PM Pardalos, Metode Numerik dan Optimasi: Pengantar (CRC Press, 2015).

[42] M. Morgado dan S. Whitlock, AVS Quantum Science 3, 023501 (2021), https://doi.org/10.1116/5.0036562.
https: / / doi.org/ 10.1116 / 5.0036562
arXiv: https: //doi.org/10.1116/5.0036562

[43] X.-F. Shi dan Y. Lu, Fis. Pdt.A 104, 012615 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.012615

[44] JT Young, P. Bienias, R. Belyansky, AM Kaufman, dan AV Gorshkov, Physical Review Letters 127 (2021), 10.1103/physrevlett.127.120501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.127.120501

[45] M. Saffman, Jurnal Fisika B: Fisika Atom, Molekuler dan Optik 49, 202001 (2016).
https://doi.org/10.1088/0953-4075/49/20/202001

[46] CS Adams, JD Pritchard, dan JP Shaffer, Jurnal Fisika B: Fisika Atom, Molekuler dan Optik 53, 012002 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1361-6455 / ab52ef

[47] J. Zha, Z. Qin, J. Yan, N. Cao, Q. Wei, dan P. Wang, Hasil Fisika 22, 103594 (2021).
https:///doi.org/10.1016/j.rinp.2020.103594

[48] S. Sim, PD Johnson, dan A. Aspuru-Guzik, Advanced Quantum Technologies 2, 1900070 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1002 / qute.201900070

[49] A. Daele, Prosiding American Mathematical Society 125, 3489 (1997).

[50] K. Życzkowski dan H.-J. Sommers, Fis. Pdt.A 71, 032313 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.71.032313

[51] D. McQuarrie, Quantum Chemistry, v.1 (Buku Sains Universitas, 2008) Bab. 10, hal.266–290.
https:///books.google.nl/books?id=zzxLTIljQB4C

[52] Dalam karya ini molekul Hamiltonian telah ditentukan dalam basis STO-3G menggunakan perpustakaan komputasi kuantum OpenFermion openfermion dan Psi4 psi4.

[53] X. Ge, R.-B. Wu, dan H. Rabitz, Tinjauan Tahunan dalam Kontrol (2022), https://doi.org/10.1016/j.arcontrol.2022.06.001.
https:///doi.org/10.1016/j.arcontrol.2022.06.001

[54] Dalam pekerjaan ini semua simulasi VQOC telah dilakukan menggunakan Python Library QuTiP qutip sedangkan perhitungan VQE telah dilakukan menggunakan matlab MATLAB R2019b.

[55] D.-B. Zhang, Z.-H. Yuan, dan T. Yin, “Variational quantum eigensolver by variance minimization,” (2020).
https:///doi.org/10.48550/ARXIV.2006.15781

[56] D. Chivilikhin, A. Samarin, V. Ulyantsev, I. Iorsh, AR Oganov, dan O. Kyriienko, “Mog-vqe: Multiobjektif variasi genetik eigensolver kuantum,” (2020).
https:///doi.org/10.48550/ARXIV.2007.04424

[57] RS Judson dan H. Rabitz, Phys. Pendeta Lett. 68, 1500 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.1500

[58] B. Li, S. Ahmed, S. Saraogi, N. Lambert, F. Nori, A. Pitchford, dan N. Shammah, Quantum 6, 630 (2022).
https://doi.org/10.22331/q-2022-01-24-630

[59] JR Weggemans, A. Urech, A. Rausch, R. Spreeuw, R. Boucherie, F. Schreck, K. Schoutens, J. Minář, dan F. Speelman, Quantum (2022), arXiv:2106.11672 [quant-ph].
https://doi.org/10.22331/q-2022-04-13-687
arXiv: 2106.11672

[60] JR McClean, S. Boixo, VN Smelyanskiy, R. Babbush, dan H. Neven, Nature Communications 9, 4812 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41467-018-07090-4

[61] A. Uvarov, JD Biamonte, dan D. Yudin, Phys. Pdt B 102, 075104 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.102.075104

[62] JR McClean, KJ Sung, ID Kivlichan, Y. Cao, C. Dai, E. Schuyler Fried, C. Gidney, B. Gimby, P. Gokhale, T. Häner, T. Hardikar, V. Havlíček, O. Higgott, C. Huang, dkk., arXiv e-prints , arXiv:1710.07629 (2017), arXiv:1710.07629 [quant-ph].
arXiv: 1710.07629

[63] DGA Smith, LA Burns, AC Simmonett, RM Parrish, MC Schieber, R. Galvelis, P. Kraus, H. Kruse, R. Di Remigio, A. Alenaizan, AM James, dkk., Jurnal Fisika Kimia 152, 184108 (2020), https://doi.org/10.1063/5.0006002.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0006002
arXiv: https: //doi.org/10.1063/5.0006002

[64] J. Johansson, P. Nation, dan F. Nori, Komunikasi Fisika Komputer 183, 1760–1772 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.cpc.2012.02.021

[65] MATLAB, versi 9.7.0.1216025 (R2019b) (The MathWorks Inc., Natick, Massachusetts, 2019).

Dikutip oleh

[1] Christiane P. Koch, Ugo Boscain, Tommaso Calarco, Gunther Dirr, Stefan Filipp, Steffen J. Glaser, Ronnie Kosloff, Simone Montangero, Thomas Schulte-Herbrüggen, Dominique Sugny, dan Frank K. Wilhelm, “Kontrol optimal kuantum dalam teknologi kuantum. Laporan strategis tentang status, visi, dan tujuan saat ini untuk penelitian di Eropa”, arXiv: 2205.12110, (2022).

[2] Jasper Johannes Postema, Pietro Bonizzi, Gideon Koekoek, Ronald L. Westra, dan Servaas JJMF Kokkelmans, “Dekomposisi Spektrum Singular Kuantum Hibrid untuk Analisis Rangkaian Waktu”, arXiv: 2212.08831, (2022).

[3] Madhav Mohan, Robert de Keijzer, dan Servaas Kokkelmans, “Kontrol yang kuat dan status Rydberg yang optimal untuk gerbang dua qubit atom netral”, arXiv: 2212.10159, (2022).

[4] Zhiding Liang, Jinglei Cheng, Hang Ren, Hanrui Wang, Fei Hua, Yongshan Ding, Fred Chong, Song Han, Yiyu Shi, dan Xuehai Qian, “PAN: Pulse Ansatz di Mesin NISQ”, arXiv: 2208.01215, (2022).

[5] Jiaqi Leng, Yuxiang Peng, Yi-Ling Qiao, Ming Lin, dan Xiaodi Wu, “Komputasi Kuantum Analog yang Dapat Dibedakan untuk Optimasi dan Kontrol”, arXiv: 2210.15812, (2022).

Kutipan di atas berasal dari SAO / NASA ADS (terakhir berhasil diperbarui, 2023-01-27 04:48:33). Daftar ini mungkin tidak lengkap karena tidak semua penerbit menyediakan data kutipan yang cocok dan lengkap.

On Layanan dikutip-oleh Crossref tidak ada data tentang karya mengutip ditemukan (upaya terakhir 2023-01-27 04:48:31).

Makalah ini diterbitkan dalam Quantum di bawah Creative Commons Attribution 4.0 Internasional (CC BY 4.0) lisensi. Hak cipta tetap berada pada pemegang hak cipta asli seperti penulis atau lembaganya.

Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
Sumber: https://quantum-journal.org/papers/q-2023-01-26-908/

Stempel Waktu: Januari 26, 2023

Stempel Waktu: 15 Mei 2023

Kontrol Quantum Optimal Variasional berbasis pulsa untuk komputasi kuantum hibrid

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Abstrak

Ringkasan populer

► data BibTeX

► Referensi

Dikutip oleh

Lebih dari Jurnal Kuantum

Menyesuaikan model kebisingan kuantum dengan data tomografi

Transisi fase kuantum dinamis dari teori matriks acak

Proses koreksi kesalahan topologi dari integral jalur titik tetap

Menyatukan gagasan berbeda tentang ketidakcocokan kuantum ke dalam hierarki teori komunikasi sumber daya yang ketat

Menyelidiki struktur tanda menggunakan keterikatan yang diinduksi pengukuran

Mempercepat Algoritma Kuantum dengan Prakomputasi

Perajutan sirkuit dengan batasan overhead untuk dinamika kuantum variasional

Koherensi dan kontekstualitas dalam interferometer Mach-Zehnder

Pendekatan Jaringan Syaraf Tiruan untuk Simulasi Keadaan Terjerat dengan Satu Bit Komunikasi

Saluran Peredam Amplitudo Bertingkat Resonan

Keterikatan Variabel Berkelanjutan melalui Gaya Sentral: Penerapan Gravitasi di antara Massa Kuantum

Tentang Kami

Pencarian Vertikal & Ai

Platform

Tetap Berhubung

Akun