Optimasi Pengukuran Simulasi Kuantum Variasional Dengan Bayangan Klasik Dan Derandomisasi

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Kouhei Nakaji^1,4, Suguru Endo², Yuichiro Matsuzaki¹, dan Hideaki Hakoshima³

¹Institut Penelitian Teknologi Perangkat, Institut Nasional Sains dan Teknologi Industri Lanjutan (AIST),1-1-1 Umezono, Tsukuba, Ibaraki 305-8568, Jepang.
²Laboratorium Ilmu Komputer dan Data NTT, perusahaan NTT, Musashino, Tokyo 180-8585, Jepang
³Pusat Informasi Kuantum dan Biologi Kuantum, Universitas Osaka, 1-2 Macikaneyama, Toyonaka, Osaka 560-0043, Jepang.
⁴Alamat saat ini: Departemen Ilmu Komputer, Universitas Toronto, Toronto, Ontario, Kanada

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

Abstrak

Mensimulasikan sistem kuantum besar adalah tujuan akhir komputasi kuantum. Simulasi kuantum variasional (VQS) memberi kita alat untuk mencapai tujuan dalam perangkat jangka pendek dengan mendistribusikan beban komputasi ke komputer klasik dan kuantum. Namun, karena ukuran sistem kuantum menjadi besar, pelaksanaan VQS menjadi semakin menantang. Salah satu tantangan yang paling berat adalah peningkatan drastis jumlah pengukuran; misalnya, jumlah pengukuran cenderung meningkat pangkat empat dari jumlah qubit dalam simulasi kuantum dengan bahan kimia Hamiltonian. Pekerjaan ini bertujuan untuk secara dramatis mengurangi jumlah pengukuran di VQS dengan strategi berbasis bayangan yang baru-baru ini diusulkan seperti bayangan klasik dan derandomisasi. Meskipun literatur sebelumnya menunjukkan bahwa strategi berbasis bayangan berhasil mengoptimalkan pengukuran dalam optimasi kuantum variasional (VQO), bagaimana menerapkannya pada VQS tidak jelas karena kesenjangan antara VQO dan VQS dalam mengukur yang dapat diamati. Dalam makalah ini, kami menjembatani kesenjangan tersebut dengan mengubah cara mengukur yang dapat diamati dalam VQS dan mengusulkan suatu algoritme untuk mengoptimalkan pengukuran dalam VQS dengan strategi berbasis bayangan. Analisis teoretis kami tidak hanya mengungkapkan keuntungan menggunakan algoritme kami di VQS tetapi secara teoritis mendukung penggunaan strategi berbasis bayangan di VQO, yang keuntungannya hanya diberikan secara numerik. Selain itu, eksperimen numerik kami menunjukkan validitas penggunaan algoritme kami dengan sistem kimia kuantum.

Optimalisasi pengukuran simulasi kuantum variasional dengan bayangan klasik dan derandomisasi PlatoBlockchain Data Intelligence. Pencarian Vertikal. Ai.

Gambar unggulan: Evolusi perselingkuhan karena noise tembakan untuk setiap strategi pengukuran: strategi pengukuran konvensional (naif), bayangan klasik, pengelompokan tingkat pertama terbesar (pengelompokan ldf), dan derandomisasi. Gambar kiri dihasilkan dari evolusi waktu nyata dengan molekul ${rm H}_2$ Hamiltonian. Gambar kanan dihasilkan dari evolusi waktu imajiner dengan molekul ${rm LiH}$ Hamiltonian.

Ringkasan populer

Mensimulasikan sistem kuantum besar adalah tujuan akhir komputasi kuantum. Variational Quantum Simulation (VQS) adalah algoritma kuantum yang menjanjikan untuk mewujudkan simulasi kuantum dalam komputer kuantum jangka pendek. Namun, menjalankan VQS menjadi semakin menantang seiring bertambahnya ukuran sistem kuantum, dengan salah satu tantangan paling berat adalah peningkatan signifikan dalam jumlah pengukuran yang diperlukan. Untuk mengatasi masalah ini, kami mengusulkan algoritme untuk mengoptimalkan pengukuran di VQS menggunakan teknik pengoptimalan pengukuran seperti bayangan klasik dan derandomisasi dengan mengubah cara mengukur yang dapat diamati di VQS. Kami mendemonstrasikan validitas algoritme menggunakan eksperimen numerik dengan sistem kimia kuantum. Selain itu, kami secara teoritis mengungkapkan keuntungan menggunakan strategi berbasis bayangan, seperti bayangan klasik dan derandomisasi, tidak hanya di VQS tetapi juga di Variational Quantum Optimization (VQO). Studi ini memiliki implikasi yang signifikan untuk optimasi pengukuran dalam algoritma kuantum variasional umum.

► data BibTeX

@artikel{Nakaji2023measurement, doi = {10.22331/q-2023-05-04-995}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-05-04-995}, title = {Pengoptimalan pengukuran simulasi kuantum variasional oleh bayangan klasik dan derandomisasi}, penulis = {Nakaji, Kouhei dan Endo, Suguru dan Matsuzaki, Yuichiro dan Hakoshima, Hideaki}, jurnal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, penerbit = { {Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volume = {7}, halaman = {995}, bulan = Mei, tahun = {2023} }

► Referensi

[1] John Preskill. “Komputasi kuantum di era NISQ dan seterusnya”. Kuantum 2, 79 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-08-06-79

[2] Suguru Endo, Zhenyu Cai, Simon C Benjamin, and Xiao Yuan. "Algoritme klasik kuantum hibrida dan mitigasi kesalahan kuantum". Jurnal Masyarakat Fisik Jepang 90, 032001 (2021).
https: / / doi.org/ 10.7566 / JPSJ.90.032001

[3] Marco Cerezo, Andrew Arrasmith, Ryan Babbush, Simon C Benjamin, Suguru Endo, Keisuke Fujii, Jarrod R McClean, Kosuke Mitarai, Xiao Yuan, Lukasz Cincio, dkk. "Algoritma kuantum variasional". Ulasan Alam Fisika 3, 625–644 (2021).
https://doi.org/10.1038/s42254-021-00348-9

[4] Edward Farhi, Jeffrey Goldstone, dan Sam Gutmann. “Algoritma optimasi perkiraan kuantum” (2014). arXiv:1411.4028.
arXiv: 1411.4028

[5] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J Love, Alán Aspuru-Guzik, and Jeremy L O'brien. “Pemecah nilai eigen variasi pada prosesor kuantum fotonik”. Komunikasi alam 5, 1–7 (2014).
https:///doi.org/10.1038/ncomms5213

[6] Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takita, Markus Brink, Jerry Chow, and Jay Gambetta. "Eigensolver kuantum variasional hemat perangkat keras untuk molekul kecil dan magnet kuantum". Alam 549, 242–246 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23879

[7] Nikolaj Moll, Panagiotis Barkoutsos, Lev S Bishop, Jerry M Chow, Andrew Cross, Daniel J Egger, Stefan Filipp, Andreas Fuhrer, Jay M Gambetta, Marc Ganzhorn, dkk. "Optimasi kuantum menggunakan algoritma variasional pada perangkat kuantum jangka pendek". Sains dan Teknologi Kuantum 3, 030503 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / aab822

[8] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush, dan Alan Aspuru-Guzik. "Teori algoritma kuantum-klasik hibrida variasi". Jurnal Fisika Baru 18, 023023 (2016).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/2/023023

[9] Ying Li dan Simon C Benjamin. "Simulator kuantum variasional yang efisien menggabungkan minimalisasi kesalahan aktif". Tinjauan Fisik X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[10] Kosuke Mitarai, Makoto Negoro, Masahiro Kitagawa, and Keisuke Fujii. "Pembelajaran sirkuit kuantum". Tinjauan Fisik A 98, 032309 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032309

[11] Raphael Kaubruegger, Pietro Silvi, Christian Kokail, Rick van Bijnen, Ana Maria Rey, Jun Ye, Adam M Kaufman, and Peter Zoller. "Algoritme spin-squeezing variasi pada sensor kuantum yang dapat diprogram". Surat tinjauan fisik 123, 260505 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.260505

[12] Bálint Koczor, Suguru Endo, Tyson Jones, Yuichiro Matsuzaki, and Simon C Benjamin. "Metrologi kuantum status-variasi". Jurnal Baru Fisika 22, 083038 (2020).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/ab965e

[13] Sam McArdle, Tyson Jones, Suguru Endo, Ying Li, Simon C Benjamin, and Xiao Yuan. "Simulasi kuantum berbasis ansatz variasi dari evolusi waktu imajiner". npj Quantum Information 5, 1–6 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0187-2

[14] Xiao Yuan, Suguru Endo, Qi Zhao, Ying Li, and Simon C Benjamin. "Teori simulasi kuantum variasional". Kuantum 3, 191 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-10-07-191

[15] AD McLachlan. "Solusi variasi dari persamaan Schrodinger yang bergantung pada waktu". Fisika Molekuler 8, 39–44 (1964).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00268976400100041

[16] Vladyslav Verteletskyi, Tzu-Ching Yen, and Artur F Izmaylov. "Optimasi pengukuran dalam pemecah eigen kuantum variasional menggunakan penutup klik minimum". Jurnal fisika kimia 152, 124114 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5141458

[17] Hsin-Yuan Huang, Richard Kueng, and John Preskill. "Memprediksi banyak properti sistem kuantum dari pengukuran yang sangat sedikit". Fisika Alam 16, 1050–1057 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41567-020-0932-7

[18] Charles Hadfield, Sergey Bravyi, Rudy Raymond, dan Antonio Mezzacapo. "Pengukuran hamiltonian kuantum dengan bayangan klasik bias lokal". Komunikasi dalam Fisika Matematika 391, 951–967 (2022).
https://doi.org/10.1007/s00220-022-04343-8

[19] Hsin-Yuan Huang, Richard Kueng, and John Preskill. "Estimasi efisien pauli yang dapat diamati dengan derandomisasi". Surat tinjauan fisik 127, 030503 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.030503

[20] Stefan Hillmich, Charles Hadfield, Rudy Raymond, Antonio Mezzacapo, dan Robert Wille. "Diagram keputusan untuk pengukuran kuantum dengan sirkuit dangkal". Pada tahun 2021 IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering (QCE). Halaman 24–34. IEEE (2021).
https: / / doi.org/ 10.1109 / QCE52317.2021.00018

[21] Bujiao Wu, Jinzhao Sun, Qi Huang, and Xiao Yuan. “Pengukuran pengelompokan yang tumpang tindih: Kerangka kerja terpadu untuk mengukur keadaan kuantum” (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2023-01-13-896

[22] Pranav Gokhale, Olivia Angiuli, Yongshan Ding, Kaiwen Gui, Teague Tomesh, Martin Suchara, Margaret Martonosi, and Frederic T Chong. “Meminimalkan persiapan keadaan dalam pemecah eigen kuantum variasional dengan mempartisi menjadi keluarga komuter” (2019). arXiv:1907.13623.
arXiv: 1907.13623

[23] Artur F Izmaylov, Tzu-Ching Yen, Robert A Lang, and Vladyslav Verteletskyi. "Pendekatan partisi kesatuan untuk masalah pengukuran dalam metode pemecah eigen kuantum variasional". Jurnal teori kimia dan komputasi 16, 190–195 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.9b00791

[24] Ophelia Crawford, Barnaby van Straaten, Daochen Wang, Thomas Parks, Earl Campbell, dan Stephen Brierley. "Pengukuran kuantum yang efisien dari operator Pauli dengan adanya kesalahan pengambilan sampel yang terbatas". Kuantum 5, 385 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-01-20-385

[25] William J Huggins, Jarrod R McClean, Nicholas C Rubin, Zhang Jiang, Nathan Wiebe, K Birgitta Whaley, and Ryan Babbush. "Pengukuran yang efisien dan tahan kebisingan untuk kimia kuantum pada komputer kuantum jangka pendek". npj Quantum Information 7, 1–9 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41534-020-00341-7

[26] Ikko Hamamura dan Takashi Imamichi. "Evaluasi yang efisien dari pengamatan kuantum menggunakan pengukuran terjerat". npj Quantum Information 6, 1–8 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41534-020-0284-2

[27] Sergey Bravyi, Jay M Gambetta, Antonio Mezzacapo, and Kristan Temme. “Mengurangi qubit untuk mensimulasikan Hamiltonian fermionik” (2017). arXiv:1701.08213.
arXiv: 1701.08213

[28] Andrew Zhao, Andrew Tranter, William M Kirby, Shu Fay Ung, Akimasa Miyake, and Peter J Love. "Pengurangan pengukuran dalam algoritma kuantum variasional". Tinjauan Fisik A 101, 062322 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.062322

[29] Tzu-Ching Yen, Vladyslav Verteletskyi, and Artur F Izmaylov. "Mengukur semua operator yang kompatibel dalam satu rangkaian pengukuran qubit tunggal menggunakan transformasi kesatuan". Jurnal teori kimia dan komputasi 16, 2400–2409 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.0c00008

[30] Andrew Jena, Scott Genin, and Michele Mosca. “Partisi Pauli sehubungan dengan set gerbang” (2019). arXiv:1907.07859.
arXiv: 1907.07859

[31] Tzu-Ching Yen, Aadithya Ganeshram, and Artur F Izmaylov. “Peningkatan deterministik pengukuran kuantum dengan pengelompokan operator yang kompatibel, transformasi non-lokal, dan estimasi kovarians” (2022).
arXiv: 2201.01471v3

[32] Seonghoon Choi, Tzu-Ching Yen, and Artur F Izmaylov. “Meningkatkan Pengukuran Kuantum dengan Memperkenalkan Produk Pauli “Hantu”. Jurnal Teori Kimia dan Komputasi 18, 7394–7402 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.2c00837

[33] Seonghoon Choi, Ignacio Loaiza, and Artur F Izmaylov. "Fragmen fermionik cair untuk mengoptimalkan pengukuran kuantum hamiltonian elektronik dalam pemecah eigen kuantum variasional". Kuantum 7, 889 (2023).
https://doi.org/10.22331/q-2023-01-03-889

[34] Andrew Arrasmith, Lukasz Cincio, Rolando D Somma, and Patrick J Coles. “Pengambilan sampel operator untuk pengoptimalan hemat tembakan dalam algoritme variasional” (2020). arXiv:2004.06252.
arXiv: 2004.06252

[35] Gregory Boyd dan Bálint Koczor. “Melatih sirkuit kuantum variasional dengan CoVaR: penemuan akar kovarians dengan bayangan klasik” (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.12.041022

[36] Ting Zhang, Jinzhao Sun, Xiao-Xu Fang, Xiao-Ming Zhang, Xiao Yuan, and He Lu. "Pengukuran keadaan kuantum eksperimental dengan bayangan klasik". Surat Tinjauan Fisik 127, 200501 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.200501

[37] Suguru Endo, Jinzhao Sun, Ying Li, Simon C Benjamin, and Xiao Yuan. "Simulasi kuantum variasional dari proses umum". Surat Tinjauan Fisik 125, 010501 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.010501

[38] PAM Dirac. "Catatan tentang fenomena pertukaran dalam atom thomas". Prosiding Matematika dari Cambridge Philosophical Society 26, 376–385 (1930).
https: / / doi.org/ 10.1017 / S0305004100016108

[39] Âkov Il'ič Frenkel. “Mekanika gelombang; teori umum lanjutan”. Banteng. Amer. Matematika. Soc 41, 776 (1935).

[40] Peter Kramer dan Marcos Saraceno. "Geometri prinsip variasi tergantung waktu dalam mekanika kuantum". Dalam Metode Teoritis Kelompok dalam Fisika: Prosiding Kolokium Internasional IX Diadakan di Cocoyoc, México, 23–27 Juni 1980. Halaman 112–121. Springer (2005).
https://doi.org/10.1007/3-540-10271-X_317

[41] J Broeckhove, L Lathouwers, E Kesteloot, dan P Van Leuven. "Tentang kesetaraan prinsip-prinsip variasi yang bergantung pada waktu". kimia Fisika. Lett. 149, 547–550 (1988).
https://doi.org/10.1016/0009-2614(88)80380-4

[42] Artur F Izmaylov, Tzu-Ching Yen, Robert A Lang, and Vladyslav Verteletskyi. "Pendekatan partisi kesatuan untuk masalah pengukuran dalam metode pemecah eigen kuantum variasional". Jurnal teori kimia dan komputasi 16, 190–195 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.9b00791

[43] Andrew Zhao, Andrew Tranter, William M Kirby, Shu Fay Ung, Akimasa Miyake, and Peter J Love. "Pengurangan pengukuran dalam algoritma kuantum variasional". Tinjauan Fisik A 101, 062322 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.062322

[44] Tzu-Ching Yen, Vladyslav Verteletskyi, and Artur F Izmaylov. "Mengukur semua operator yang kompatibel dalam satu rangkaian pengukuran qubit tunggal menggunakan transformasi kesatuan". Jurnal teori kimia dan komputasi 16, 2400–2409 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.0c00008

[45] Giacomo Torlai, Guglielmo Mazzola, Giuseppe Carleo, and Antonio Mezzacapo. "Pengukuran yang tepat dari kuantum yang dapat diamati dengan estimator jaringan saraf". Penelitian Tinjauan Fisik 2, 022060 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.022060

[46] Ophelia Crawford, Barnaby van Straaten, Daochen Wang, Thomas Parks, Earl Campbell, dan Stephen Brierley. "Pengukuran kuantum yang efisien dari operator Pauli dengan adanya kesalahan pengambilan sampel yang terbatas". Kuantum 5, 385 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-01-20-385

[47] William J Huggins, Jarrod R McClean, Nicholas C Rubin, Zhang Jiang, Nathan Wiebe, K Birgitta Whaley, and Ryan Babbush. "Pengukuran yang efisien dan tahan kebisingan untuk kimia kuantum pada komputer kuantum jangka pendek". npj Quantum Information 7, 1–9 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41534-020-00341-7

[48] Maria Schuld, Ville Bergholm, Christian Gogolin, Josh Izaac, dan Nathan Killoran. "Mengevaluasi gradien analitik pada perangkat keras kuantum". Tinjauan Fisik A 99, 032331 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032331

[49] Barnaby van Straaten dan Bálint Koczor. "Biaya pengukuran algoritme kuantum variasional sadar metrik". PRX Quantum 2, 030324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030324

[50] Yasunari Suzuki, Yoshiaki Kawase, Yuya Masumura, Yuria Hiraga, Masahiro Nakadai, Jiabao Chen, Ken M Nakanishi, Kosuke Mitarai, Ryosuke Imai, Shiro Tamiya, dkk. "Qulacs: simulator sirkuit kuantum yang cepat dan serbaguna untuk tujuan penelitian". Kuantum 5, 559 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-10-06-559

[51] Benoı̂t Collins dan Piotr Śniady. "Integrasi sehubungan dengan ukuran Haar pada kelompok kesatuan, ortogonal dan simplektis". Komunikasi dalam Fisika Matematika 264, 773–795 (2006).
https://doi.org/10.1007/s00220-006-1554-3

Dikutip oleh

[1] Benchen Huang, Nan Sheng, Marco Govoni, dan Giulia Galli, "Simulasi kuantum dari Hamiltonian Fermionik dengan skema pengkodean dan ansatz yang efisien", arXiv: 2212.01912, (2022).

Kutipan di atas berasal dari SAO / NASA ADS (terakhir berhasil diperbarui, 2023-05-06 01:00:39). 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 2023-05-06 01:00:37).

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.
PlatoAiStream. Kecerdasan Data Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
Mencetak Masa Depan bersama Adryenn Ashley. Akses Di Sini.
Beli dan Jual Saham di Perusahaan PRE-IPO dengan PREIPO®. Akses Di Sini.
Sumber: https://quantum-journal.org/papers/q-2023-05-04-995/

Stempel Waktu: 4 Mei 2023

Stempel Waktu: November 8, 2023

Optimalisasi pengukuran simulasi kuantum variasional dengan bayangan klasik dan derandomisasi

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Abstrak

Ringkasan populer

► data BibTeX

► Referensi

Dikutip oleh

Lebih dari Jurnal Kuantum

Termometri nonequilibrium yang optimal di lingkungan Markovian

Bukti kuantum yang efisien kedalaman

Simulasi Quantum Monte Carlo untuk analisis risiko keuangan: pembuatan skenario untuk faktor risiko ekuitas, suku bunga, dan kredit

Aksioma untuk retrodiksi: mencapai simetri pembalikan waktu dengan sebelumnya

Produksi fermion di batas alam semesta yang mengembang: analogi gravitasi atom dingin

Simetri meningkatkan pemecah eigen spin kuantum variasional

Metrologi dan keterikatan multipartit dalam transisi fase yang disebabkan oleh pengukuran

Algoritma Dekomposisi Dua Kesatuan dan Simulasi Sistem Kuantum Terbuka

Mensimulasikan teori pengukur dengan pemecah eigen kuantum variasional dalam rongga gelombang mikro superkonduktor

Kerangka matematis untuk penyetelan halus operasional

Tentang Kami

Pencarian Vertikal & Ai

Platform

Tetap Berhubung

Akun