Perajutan sirkuit dengan batasan overhead untuk dinamika kuantum variasional

Perajutan sirkuit dengan batasan overhead untuk dinamika kuantum variasional

Gian Gentinetta, Friederike Metz, dan Giuseppe Carleo

Institut Fisika, cole Polytechnique Fรฉdรฉrale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Swiss
Pusat Sains dan Teknik Kuantum, cole Polytechnique Fรฉdรฉrale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Swiss

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

Abstrak

Mensimulasikan dinamika sistem kuantum besar adalah upaya yang berat namun penting untuk memperoleh pemahaman yang lebih mendalam tentang fenomena mekanika kuantum. Meskipun komputer kuantum sangat menjanjikan untuk mempercepat simulasi tersebut, penerapan praktisnya masih terhambat oleh skala terbatas dan kebisingan yang menyebar. Dalam karya ini, kami mengusulkan pendekatan yang mengatasi tantangan ini dengan menggunakan rangkaian rajutan untuk mempartisi sistem kuantum besar menjadi subsistem yang lebih kecil yang masing-masing dapat disimulasikan pada perangkat terpisah. Evolusi sistem diatur oleh algoritme dinamika kuantum variasional yang diproyeksikan (PVQD), dilengkapi dengan batasan pada parameter rangkaian kuantum variasional, memastikan bahwa overhead pengambilan sampel yang dikenakan oleh skema perajutan sirkuit tetap dapat dikontrol. Kami menguji metode kami pada sistem putaran kuantum dengan beberapa blok yang terjerat lemah, masing-masing terdiri dari putaran yang berkorelasi kuat, di mana kami dapat mensimulasikan dinamika secara akurat sambil menjaga overhead pengambilan sampel tetap terkendali. Selanjutnya, kami menunjukkan bahwa metode yang sama dapat digunakan untuk mengurangi kedalaman rangkaian dengan memotong gerbang jarak jauh.

Dalam karya ini, kami mensimulasikan dinamika real-time dari sistem banyak benda kuantum yang terdiri dari beberapa subsistem yang berkorelasi lemah dengan mendistribusikan subsistem tersebut ke beberapa perangkat kuantum. Hal ini dicapai dengan teknik yang dikenal sebagai rajutan sirkuit yang menguraikan saluran kuantum global menjadi saluran yang dapat direalisasikan secara lokal melalui distribusi probabilitas semu. Dengan biaya overhead dalam jumlah pengukuran, hal ini memungkinkan untuk merekonstruksi keterikatan antara subsistem yang berbeda secara klasik. Secara umum, overhead pengambilan sampel berskala eksponensial dalam waktu simulasi karena keterikatan antar subsistem yang semakin meningkat seiring waktu.

Sebagai kontribusi utama dari pekerjaan kami, kami memodifikasi algoritma evolusi waktu kuantum variasional (PVQD) dengan membatasi parameter variasional ke subruang di mana overhead pengambilan sampel yang diperlukan tetap di bawah ambang batas yang dapat dikelola. Kami menunjukkan bahwa melalui algoritme pengoptimalan terbatas ini, kami mencapai ketelitian tinggi dalam evolusi waktu sistem putaran kuantum untuk ambang batas yang realistis. Keakuratan simulasi dapat dikontrol dengan menyetel hyperparameter baru ini, sehingga memungkinkan hasil optimal dengan anggaran tetap dari total sumber daya kuantum.

โ–บ data BibTeX

โ–บ Referensi

[1] Richard P. Feynman. โ€œSimulasi fisika dengan komputerโ€. Jurnal Internasional Fisika Teoritis 21, 467โ€“488 (1982).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02650179

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

[3] A. Chiesa, F. Tacchino, M. Grossi, P. Santini, I. Tavernelli, D. Gerace, dan S. Carretta. โ€œPerangkat keras kuantum yang mensimulasikan hamburan neutron inelastis empat dimensiโ€. Fisika Alam 15, 455โ€“459 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41567-019-0437-4

[4] Frank Arute dkk. โ€œHartree-fock pada komputer kuantum qubit superkonduktorโ€. Sains 369, 1084โ€“1089 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.abb9811

[5] Frank Arute dkk. โ€œPengamatan pemisahan dinamika muatan dan putaran pada model fermi-hubbardโ€ (2020). arXiv:2010.07965.
arXiv: 2010.07965

[6] C. Neill dkk. โ€œMenghitung secara akurat sifat elektronik cincin kuantumโ€. Alam 594, 508โ€“512 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41586-021-03576-2

[7] J. Zhang, G. Pagano, PW Hess, A. Kyprianidis, P. Becker, H. Kaplan, AV Gorshkov, ZX Gong, dan C. Monroe. โ€œPengamatan transisi fase dinamis banyak benda dengan simulator kuantum 53-qubitโ€. Alam 551, 601โ€“604 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature24654

[8] James Dborin, Vinul Wimalaweera, F. Barratt, Eric Ostby, Thomas E. O'Brien, dan AG Green. โ€œMensimulasikan transisi fase kuantum keadaan dasar dan dinamis pada komputer kuantum superkonduktorโ€. Komunikasi Alam 13, 5977 (2022).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹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 Vuletiฤ‡, dan Mikhail D. Lukin . โ€œFase materi kuantum pada simulator kuantum 256 atom yang dapat diprogramโ€. Alam 595, 227โ€“232 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41586-021-03582-4

[10] Ehud Altman. โ€œLokalisasi banyak benda dan termalisasi kuantumโ€. Fisika Alam 14, 979โ€“983 (2018).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41567-018-0305-7

[11] Wibe A. de Jong, Kyle Lee, James Mulligan, Mateusz Pล‚oskoล„, Felix Ringer, dan Xiaojun Yao. โ€œSimulasi kuantum dinamika nonequilibrium dan termalisasi dalam model Schwingerโ€. Fis. Pdt.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, dan Abhinav Kandala. โ€œBukti kegunaan komputasi kuantum sebelum toleransi kesalahanโ€. Alam 618, 500โ€“505 (2023).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41586-023-06096-3

[13] Andrew M. Childs, Dmitri Maslov, Yunseong Nam, Neil J. Ross, and Yuan Su. "Menuju simulasi kuantum pertama dengan percepatan kuantum". Prosiding National Academy of Sciences 115, 9456โ€“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, dan Hartmut Neven. โ€œPengkodean spektrum elektronik dalam sirkuit kuantum dengan kompleksitas t linierโ€. Fis. Pdt. X 8, 041015 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[15] Yunseong Nam dan Dmitri Maslov. โ€œSirkuit kuantum berbiaya rendah untuk contoh klasik masalah simulasi dinamika hamiltonian yang sulit diselesaikanโ€. npj Informasi Kuantum 5, 44 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41534-019-0152-0

[16] Mario Motta, Erika Ye, Jarrod R. McClean, Zhendong Li, Austin J. Minnich, Ryan Babbush, dan Garnet Kin-Lic Chan. โ€œRepresentasi peringkat rendah untuk simulasi kuantum struktur elektronikโ€. npj Informasi Kuantum 7, 83 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-021-00416-z

[17] Jay Gambetta. โ€œMemperluas peta jalan IBM Quantum untuk mengantisipasi masa depan superkomputer yang berpusat pada kuantumโ€. url: https://โ€‹/โ€‹research.ibm.com/โ€‹blog/โ€‹ibm-quantum-roadmap-2025.
https:/โ€‹/โ€‹research.ibm.com/โ€‹blog/โ€‹ibm-quantum-roadmap-2025

[18] John Preskill. โ€œKomputasi Kuantum di era NISQ dan seterusnyaโ€. Kuantum 2, 79 (2018).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2018-08-06-79

[19] Sergey Bravyi, Graeme Smith, dan John A. Smolin. โ€œPerdagangan sumber daya komputasi klasik dan kuantumโ€. Fis. Pdt. X 6, 021043 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.021043

[20] Tianyi Peng, Aram W. Harrow, Maris Ozols, and Xiaodi Wu. "Mensimulasikan sirkuit kuantum besar pada komputer kuantum kecil". Fisika. Pendeta Lett. 125, 150504 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.150504

[21] Kosuke Mitarai dan Keisuke Fujii. โ€œMembangun gerbang dua qubit virtual dengan mengambil sampel operasi qubit tunggalโ€. Jurnal Fisika Baru 23, 023021 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / abd7bc

[22] Kosuke Mitarai dan Keisuke Fujii. โ€œOverhead untuk simulasi saluran non-lokal dengan saluran lokal dengan pengambilan sampel kuasiprobabilitasโ€. Kuantum 5, 388 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2021-01-28-388

[23] Christophe Piveteau dan David Sutter. โ€œRajutan sirkuit dengan komunikasi klasikโ€. Transaksi IEEE pada Teori InformasiHalaman 1โ€“1 (2024).
https: / / doi.org/ 10.1109 / tit.2023.3310797

[24] Zhuo Fan dan Quan-lin Jie. "Teori penyematan matriks kepadatan cluster untuk sistem putaran kuantum". Fis. Pdt. B 91, 195118 (2015).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1103/โ€‹PhysRevB.91.195118

[25] Klaas Gunst, Sebastian Wouters, Stijn De Baerdemacker, dan Dimitri Van Neck. "Blokir teori penyematan matriks kepadatan produk untuk sistem putaran yang berkorelasi kuat". Fis. Pdt. B 95, 195127 (2017).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1103/โ€‹PhysRevB.95.195127

[26] Takeshi Yamazaki, Shunji Matsuura, Ali Narimani, Anushervon Saidmuradov, dan Arman Zaribafiyan. โ€œMenuju penerapan praktis komputer kuantum jangka pendek dalam simulasi kimia kuantum: Pendekatan dekomposisi masalahโ€ (2018). arXiv:1806.01305.
arXiv: 1806.01305

[27] Max Rossmannek, Panagiotis Kl. Barkoutsos, Pauline J. Ollitrault, dan Ivano Tavernelli. โ€œAlgoritme penyematan HF/DFT kuantum untuk penghitungan struktur elektronik: Meningkatkan sistem molekuler yang kompleksโ€. Jurnal Fisika Kimia 154, 114105 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0029536

[28] Andrew Eddins, Mario Motta, Tanvi P. Gujarati, Sergey Bravyi, Antonio Mezzacapo, Charles Hadfield, dan Sarah Sheldon. โ€œMenggandakan ukuran simulator kuantum dengan penempaan keterjeratanโ€. PRX Kuantum 3, 010309 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010309

[29] Patrick Huembeli, Giuseppe Carleo, dan Antonio Mezzacapo. โ€œPenempaan keterjeratan dengan model jaringan saraf generatifโ€ (2022). arXiv:2205.00933.
arXiv: 2205.00933

[30] Paulin de Schoulepnikoff, Oriel Kiss, Sofia Vallecorsa, Giuseppe Carleo, dan Michele Grossi. โ€œAlgoritme kuantum keadaan dasar hibrid berdasarkan penempaan neural schrรถdingerโ€ (2023). arXiv:2307.02633.
arXiv: 2307.02633

[31] Abigail McClain Gomez, Taylor L. Patti, Anima Anandkumar, dan Susanne F. Yelin. โ€œKomputasi kuantum terdistribusi jangka pendek menggunakan koreksi medan rata-rata dan qubit tambahanโ€ (2023). arXiv:2309.05693.
arXiv: 2309.05693

[32] Stefano Barison, Filippo Vicentini, dan Giuseppe Carleo. โ€œMenanamkan metode variasi klasik dalam sirkuit kuantumโ€ (2023). arXiv:2309.08666.
arXiv: 2309.08666

[33] Xiao Yuan, Jinzhao Sun, Junyu Liu, Qi Zhao, dan You Zhou. "Simulasi kuantum dengan jaringan tensor hybrid". Fisika. Pendeta Lett. 127, 040501 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.040501

[34] Jinzhao Sun, Suguru Endo, Huiping Lin, Patrick Hayden, Vlatko Vedral, dan Xiao Yuan. โ€œSimulasi kuantum perturbatifโ€. Fis. Pendeta Lett. 129, 120505 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.120505

[35] J. Eisert, M. Cramer, dan MB Plenio. โ€œKolokium: Hukum area untuk entropi keterjeratanโ€. Pendeta Mod. Fis. 82, 277โ€“306 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.82.277

[36] Ulrich Schollwรถck. "Kelompok renormalisasi kepadatan-matriks pada zaman keadaan produk matriks". Sejarah Fisika 326, 96โ€“192 (2011).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1016/โ€‹j.aop.2010.09.012

[37] Jin-Guo Liu, Yi-Hong Zhang, Yuan Wan, dan Lei Wang. โ€œPemecah eigen kuantum variasi dengan qubit lebih sedikitโ€. Fis. Pdt. Res. 1, 023025 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.1.023025

[38] Sam McArdle, Suguru Endo, Alรกn Aspuru-Guzik, Simon C. Benjamin, and Xiao Yuan. "Kimia komputasi kuantum". Pendeta Mod. Fisika. 92, 015003 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.015003

[39] G. Kotliar, SY Savrasov, K. Haule, VS Oudovenko, O. Parcollet, dan CA Marianetti. โ€œPerhitungan struktur elektronik dengan teori mean-field dinamisโ€. Review Fisika Modern 78, 865โ€“951 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / revmodphys.78.865

[40] Qiming Sun dan Garnet Kin-Lic Chan. โ€œTeori penyematan kuantumโ€. Catatan Penelitian Kimia 49, 2705โ€“2712 (2016).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1021/โ€‹acs.accounts.6b00356

[41] Stefano Barison, Filippo Vicentini, dan Giuseppe Carleo. โ€œAlgoritma kuantum yang efisien untuk evolusi waktu dari rangkaian berparameterโ€. Kuantum 5, 512 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2021-07-28-512

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

[43] Jacov Frenkel. โ€œMekanika gelombang: Teori umum tingkat lanjutโ€. London: Pers Universitas Oxford. (1934).
https: / / doi.org/ 10.1017 / s0025557200203604

[44] IKLAN McLachlan. โ€œSolusi variasi persamaan Schrodinger yang bergantung pada waktuโ€. Fisika Molekuler 8, 39โ€“44 (1964).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00268976400100041

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

[46] Julien Gacon, Jannes Nys, Riccardo Rossi, Stefan Woerner, dan Giuseppe Carleo. โ€œEvolusi waktu kuantum variasi tanpa tensor geometri kuantumโ€. Penelitian Tinjauan Fisik 6 (2024).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.6.013143

[47] R. Cleve, A. Ekert, C. Machiavello, dan M. Mosca. โ€œAlgoritme kuantum ditinjau kembaliโ€. Prosiding Royal Society of London. Seri A: Ilmu Matematika, Fisika dan Teknik 454, 339โ€“354 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.1998.0164

[48] Vojtฤ›ch Havlรญฤek, Antonio D. Cรณrcoles, Kristan Temme, Aram W. Harrow, Abhinav Kandala, Jerry M. Chow, dan Jay M. Gambetta. โ€œPembelajaran yang diawasi dengan ruang fitur yang ditingkatkan kuantumโ€. Alam 567, 209โ€“212 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41586-019-0980-2

[49] M. Cerezo, Akira Sone, Tyler Volkoff, Lukasz Cincio, and Patrick J. Coles. "Dataran tinggi tandus yang bergantung pada fungsi biaya di sirkuit kuantum parametri yang dangkal". Komunikasi Alam 12, 1791 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-021-21728-w

[50] Tobias Haug dan MS Kim. โ€œPelatihan optimal algoritma kuantum variasional tanpa dataran tinggiโ€ (2021). arXiv:2104.14543.
arXiv: 2104.14543

[51] Lukas Schmitt, Christophe Piveteau, dan David Sutter. โ€œMemotong sirkuit dengan beberapa kesatuan dua qubitโ€ (2023). arXiv:2312.11638.
arXiv: 2312.11638

[52] Christian Ufrecht, Laura S. Herzog, Daniel D. Scherer, Maniraman Periyasamy, Sebastian Rietsch, Axel Plinge, dan Christopher Mutschler. โ€œPemotongan sambungan optimal gerbang rotasi dua qubitโ€ (2023). arXiv:2312.09679.
arXiv: 2312.09679

[53] Diederik P. Kingma dan Jimmy Ba. โ€œAdam: Metode untuk optimasi stokastikโ€ (2017). arXiv:1412.6980.
arXiv: 1412.6980

[54] Michael A. Nielsen dan Isaac L. Chuang. โ€œKomputasi kuantum dan informasi kuantum: edisi peringatan 10 tahunโ€. Pers Universitas Cambridge. (2010).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[55] Sajant Anand, Kristan Temme, Abhinav Kandala, dan Michael Zaletel. โ€œPembandingan klasik terhadap ekstrapolasi nol kebisingan di luar rezim yang dapat diverifikasi secara tepatโ€ (2023). arXiv:2306.17839.
arXiv: 2306.17839

[56] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J. Love, Alรกn Aspuru-Guzik, and Jeremy L. O'Brien. "Pemecah nilai eigen variasional pada prosesor kuantum fotonik". Komunikasi Alam 5, 4213 (2014).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹ncomms5213

[57] Tuhin Khare, Ritajit Majumdar, Rajiv Sangle, Anupama Ray, Padmanabha Venkatagiri Seshadri, dan Yogesh Simmhan. โ€œMemparalelkan beban kerja klasik kuantum: Membuat profil dampak teknik pemisahanโ€ (2023). arXiv:2305.06585.
arXiv: 2305.06585

[58] Sebastian Brandhofer, Ilia Polian, dan Kevin Krsulich. โ€œPartisi optimal rangkaian kuantum menggunakan pemotongan gerbang dan pemotongan kawatโ€ (2023). arXiv:2308.09567.
arXiv: 2308.09567

[59] Daniele Cuomo, Marcello Caleffi, dan Angela Sara Cacciapuoti. โ€œMenuju ekosistem komputasi kuantum terdistribusiโ€. Komunikasi Kuantum IET 1, 3โ€“8 (2020).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1049/โ€‹iet-qtc.2020.0002

[60] Jeff Bezanson, Alan Edelman, Stefan Karpinski, dan Viral B Shah. โ€œJulia: Pendekatan baru untuk komputasi numerikโ€. Ulasan SIAM 59, 65โ€“98 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 141000671

[61] Xiu-Zhe Luo, Jin-Guo Liu, Pan Zhang, dan Lei Wang. โ€œYao.jl: Kerangka Kerja yang Dapat Diperluas dan Efisien untuk Desain Algoritma Kuantumโ€. Kuantum 4, 341 (2020).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2020-10-11-341

[62] Gian Gentinetta, Friederike Metz, dan Giuseppe Carleo. "Kode untuk rajutan sirkuit dengan batasan overhead manuskrip untuk dinamika kuantum variasional". Github (2024).
https: / / doi.org/ 10.5281 / zenodo.10829066

Dikutip oleh

[1] Travis L. Scholten, Carl J. Williams, Dustin Moody, Michele Mosca, William Hurley, William J. Zeng, Matthias Troyer, dan Jay M. Gambetta, โ€œMenilai Manfaat dan Risiko Komputer Kuantumโ€, arXiv: 2401.16317, (2024).

[2] Julien Gacon, โ€œAlgoritma Kuantum yang Dapat Diskalakan untuk Komputer Kuantum Bisingโ€, arXiv: 2403.00940, (2024).

Kutipan di atas berasal dari SAO / NASA ADS (terakhir berhasil diperbarui, 2024-03-22 05:07:54). 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 2024-03-22 05:07:53).

Stempel Waktu:

Lebih dari Jurnal Kuantum