Menghitung Properti Keadaan Dasar Dengan Komputer Kuantum Toleran Kesalahan Awal

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Ruizhe Zhang¹, Guomingwang², dan Peter Johnson²

¹Departemen Ilmu Komputer, Universitas Texas di Austin, Austin, TX 78712, AS.
²Zapata Computing Inc., Boston, MA 02110, AS.

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

Abstrak

Upaya signifikan dalam komputasi kuantum terapan telah dikhususkan untuk masalah estimasi energi keadaan dasar untuk molekul dan bahan. Namun, untuk banyak aplikasi nilai praktis, sifat tambahan dari keadaan dasar harus diperkirakan. Ini termasuk fungsi Green yang digunakan untuk menghitung transpor elektron dalam material dan matriks kepadatan tereduksi satu partikel yang digunakan untuk menghitung dipol listrik molekul. Dalam makalah ini, kami mengusulkan algoritme hibrida kuantum-klasik untuk memperkirakan secara efisien properti keadaan dasar tersebut dengan akurasi tinggi menggunakan sirkuit kuantum kedalaman rendah. Kami menyediakan analisis berbagai biaya (pengulangan sirkuit, waktu evolusi maksimal, dan total runtime yang diharapkan) sebagai fungsi akurasi target, celah spektral, dan tumpang tindih keadaan dasar awal. Algoritme ini menyarankan pendekatan konkret untuk menggunakan komputer kuantum awal yang toleran terhadap kesalahan untuk melakukan perhitungan molekul dan material yang relevan dengan industri.

Ringkasan populer

Sebelumnya, tidak ada cara yang diketahui untuk menggunakan komputer kuantum jangka pendek untuk menghitung secara andal banyak sifat berguna dari bahan atau molekul kuantum. Metode yang ada tidak dapat diandalkan atau tidak mungkin dengan komputer kuantum jangka pendek. Makalah ini mengusulkan metode jangka pendek yang andal untuk menghitung properti yang berguna di luar hanya energi keadaan dasar dari Hamiltonian. Aplikasi utama dari pekerjaan ini termasuk desain bahan dan molekul dan pemecahan sistem persamaan linear.

► data BibTeX

@artikel{Zhang2022computingground, doi = {10.22331/q-2022-07-11-761}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2022-07-11-761}, title = {Menghitung {G}round {S}tate {P}properti dengan {E}arly {F}ault-{T}olerant {Q}uantum {C}komputer}, penulis = {Zhang, Ruizhe dan Wang, Guoming dan Johnson, Peter}, jurnal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, penerbit = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volume = {6}, halaman = {761}, bulan = juli, tahun = {2022} }

► Referensi

[1] Yudong Cao, Jhonathan Romero, dan Alán Aspuru-Guzik. "Potensi komputasi kuantum untuk penemuan obat". Jurnal Penelitian dan Pengembangan IBM 62, 6-1 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1147 / JRD.2018.2888987

[2] Yudong Cao, Jonathan Romero, Jonathan P Olson, Matthias Degroote, Peter D Johnson, Mária Kieferová, Ian D Kivlichan, Tim Menke, Borja Peropadre, Nicolas PD Sawaya, dkk. "Kimia kuantum di era komputasi kuantum". Ulasan bahan kimia 119, 10856–10915 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.8b00803

[3] Alan Aspuru-Guzik, Anthony D Dutoi, Peter J Love, dan Martin Head-Gordon. "Simulasi perhitungan kuantum energi molekul". Sains 309, 1704–1707 (2005).
https:///doi.org/10.1126/science.1113479

[4] 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

[5] Yigal Meir dan Ned S Wingreen. "Rumus Landauer untuk arus melalui daerah elektron yang berinteraksi". Surat tinjauan fisik 68, 2512 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.2512

[6] Frank Jensen. “Pengantar Kimia Komputasi”. John Wiley & Sons. (2017).

[7] Thomas E O'Brien, Bruno Senjean, Ramiro Sagastizabal, Xavier Bonet-Monroig, Alicja Dutkiewicz, Francesco Buda, Leonardo DiCarlo, and Lucas Visscher. "Menghitung turunan energi untuk kimia kuantum pada komputer kuantum". npj Informasi Kuantum 5, 1–12 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0213-4

[8] Andris Ambaini. “Pada masalah fisik yang sedikit lebih sulit dari qma”. Pada tahun 2014 IEEE 29th Conference on Computational Complexity (CCC). Halaman 32–43. (2014).
https: / / doi.org/ 10.1109 / CCC.2014.12

[9] Sevag Gharibian dan Justin Yirka. "Kompleksitas simulasi pengukuran lokal pada sistem kuantum". Kuantum 3, 189 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-09-30-189

[10] Sevag Gharibian, Stephen Piddock, dan Justin Yirka. "Kelas Kompleksitas Oracle dan Pengukuran Lokal pada Hamiltonian Fisik". Dalam Christophe Paul dan Markus Bläser, editor, Simposium Internasional ke-37 tentang Aspek Teoritis Ilmu Komputer (STACS 2020). Volume 154 dari Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPICs), halaman 20:1–20:37. Dagstuhl, Jerman (2020). Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum für Informatik.
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.STACS.2020.20

[11] David Poulin dan Pawel Wocjan. “Menyiapkan keadaan dasar sistem banyak benda kuantum pada komputer kuantum”. Surat tinjauan fisik 102, 130503 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.130503

[12] Yimin Ge, Jordi Tura, dan J Ignacio Cirac. "Persiapan keadaan dasar lebih cepat dan estimasi energi tanah presisi tinggi dengan qubit lebih sedikit". Jurnal Fisika Matematika 60, 022202 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5027484

[13] Lin Lin dan Yu Tong. "Persiapan keadaan dasar yang hampir optimal". Kuantum 4, 372 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-14-372

[14] Sam McArdle, Alexander Mayorov, Xiao Shan, Simon Benjamin, dan Xiao Yuan. "Simulasi kuantum digital dari getaran molekul". Ilmu kimia 10, 5725–5735 (2019).
https:///doi.org/10.1039/C9SC01313J

[15] Jérôme F. Gonthier, Maxwell D. Radin, Corneliu Buda, Eric J. Doskocil, Clena M. Abuan, dan Jhonathan Romero. “Mengidentifikasi tantangan menuju keuntungan kuantum praktis melalui estimasi sumber daya: penghalang jalan pengukuran dalam pemecah eigen kuantum variasional” (2020). arXiv:2012.04001.
arXiv: 2012.04001

[16] Guoming Wang, Dax Enshan Koh, Peter D Johnson, dan Yudong Cao. "Meminimalkan estimasi runtime pada komputer kuantum yang berisik". PRX Quantum 2, 010346 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010346

[17] Ryan Babbush, Jarrod R McClean, Michael Newman, Craig Gidney, Sergio Boixo, and Hartmut Neven. "Fokus di luar percepatan kuadrat untuk keuntungan kuantum yang dikoreksi kesalahan". PRX Quantum 2, 010103 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010103

[18] Kyle EC Booth, Bryan O'Gorman, Jeffrey Marshall, Stuart Hadfield, dan Eleanor Rieffel. "Pemrograman kendala yang dipercepat kuantum". Kuantum 5, 550 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-09-28-550

[19] Earl T. Campbell. "Simulasi toleransi kesalahan awal dari model hubbard". Sains dan Teknologi Quantum 7, 015007 (2021).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/ac3110

[20] Lin Lin dan Yu Tong. “Estimasi energi keadaan dasar terbatas Heisenberg untuk komputer kuantum awal yang toleran terhadap kesalahan”. PRX Quantum 3, 010318 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010318

[21] David Layden. "Kesalahan trotter orde pertama dari perspektif orde kedua". fisik. Pdt. Lett. 128, 210501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.210501

[22] Rolando D Somma. “Estimasi nilai eigen kuantum melalui analisis deret waktu”. Jurnal Fisika Baru 21, 123025 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab5c60

[23] Laura Clinton, Johannes Bausch, Joel Klassen, dan Toby Cubitt. "Estimasi fase hamiltonians lokal pada perangkat keras nisq" (2021). arXiv:2110.13584.
arXiv: 2110.13584

[24] Patrick Rall. “Algoritma kuantum koheren yang lebih cepat untuk estimasi fase, energi, dan amplitudo”. Kuantum 5, 566 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-10-19-566

[25] Dominic W Berry, Andrew M Childs, Richard Cleve, Robin Kothari, and Rolando D Somma. “Mensimulasikan dinamika hamiltonian dengan seri taylor terpotong”. Surat tinjauan fisik 114, 090502 (2015). url: doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.090502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.090502

[26] Guang Hao Low dan Isaac L Chuang. “Simulasi hamiltonian optimal dengan pemrosesan sinyal kuantum”. Surat tinjauan fisik 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501

[27] Andrew M Childs, Dmitri Maslov, Yunseong Nam, Neil J Ross, dan Yuan Su. "Menuju simulasi kuantum pertama dengan percepatan kuantum". Prosiding National Academy of Sciences 115, 9456–9461 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1801723115

[28] Guang Hao Low dan Isaac L Chuang. "Simulasi Hamilton dengan qubitisasi". Kuantum 3, 163 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-12-163

[29] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz, dan Rolando D Somma. "Pengukuran kuantum optimal dari nilai harapan yang dapat diamati". Tinjauan Fisik A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328

[30] James D. Watson, Johannes Bausch, dan Sevag Gharibian. "Kompleksitas masalah invarian translasi di luar energi keadaan dasar" (2020). arXiv:2012.12717.
arXiv: 2012.12717

[31] 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

[32] 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

[33] Attila Szabo dan Neil S Ostlund. "Kimia kuantum modern: pengantar teori struktur elektronik canggih". Perusahaan Kurir. (2012).

[34] Sevag Gharibian dan François Le Gall. “Mendekuantisasi transformasi nilai singular kuantum: Kekerasan dan aplikasi pada kimia kuantum dan dugaan pcp kuantum”. Dalam Prosiding Simposium SIGACT ACM Tahunan ke-54 tentang Teori Komputasi. Halaman 19–32. (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3519991

[35] Shantanav Chakraborty, András Gilyén, dan Stacey Jeffery. “Kekuatan Kekuatan Matriks Berkode Blok: Teknik Regresi yang Ditingkatkan melalui Simulasi Hamiltonian yang Lebih Cepat”. Dalam Christel Baier, Ioannis Chatzigiannakis, Paola Flocchini, dan Stefano Leonardi, editor, Kolokium Internasional ke-46 tentang Automata, Bahasa, dan Pemrograman (ICALP 2019). Volume 132 dari Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPICs), halaman 33:1–33:14. Dagstuhl, Jerman (2019). Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum fuer Informatik.
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.ICALP.2019.33

[36] András Gilyén, Yuan Su, Guang Hao Low, dan Nathan Wiebe. “Transformasi nilai singular kuantum dan seterusnya: peningkatan eksponensial untuk aritmatika matriks kuantum”. Dalam Prosiding Simposium ACM SIGACT Tahunan ke-51 tentang Teori Komputasi. Halaman 193–204. (2019).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3313276.3316366

[37] Patrick Rall. "Algoritma kuantum untuk memperkirakan kuantitas fisik menggunakan pengkodean blok". Tinjauan Fisik A 102, 022408 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.022408

[38] Yu Tong, Dong An, Nathan Wiebe, dan Lin Lin. “Pembalikan cepat, pemecah sistem linier kuantum terkondisi, komputasi fungsi green cepat, dan evaluasi cepat fungsi matriks”. Tinjauan Fisik A 104, 032422 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.032422

[39] Julia E Rice, Tanvi P Gujarati, Mario Motta, Tyler Y Takeshita, Eunseok Lee, Joseph A Latone, dan Jeannette M Garcia. "Komputasi kuantum produk dominan dalam baterai lithium-sulfur". Jurnal Fisika Kimia 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068

[40] Trygve Helgaker, Poul Jorgensen, dan Jeppe Olsen. “Teori Struktur Elektronik Molekul”. John Wiley & Sons. (2014).
https: / / doi.org/ 10.1002 / 9781119019572

[41] Jacob T Seeley, Martin J Richard, dan Peter J Love. “Transformasi bravyi-kitaev untuk komputasi kuantum struktur elektronik”. Jurnal fisika kimia 137, 224109 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4768229

[42] Aram W Harrow, Avinatan Hassidim, dan Seth Lloyd. “Algoritma kuantum untuk sistem persamaan linear”. Surat tinjauan fisik 103, 150502 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502

[43] Andrew M Childs, Robin Kothari, dan Rolando D Somma. "Algoritma kuantum untuk sistem persamaan linier dengan ketergantungan yang ditingkatkan secara eksponensial pada presisi". Jurnal SIAM tentang Komputasi 46, 1920-1950 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 16M1087072

[44] Carlos Bravo-Prieto, Ryan LaRose, M. Cerezo, Yigit Subasi, Lukasz Cincio, and Patrick J. Coles. “Pemecah linear kuantum variasi” (2019). arXiv:1909.05820.
arXiv: 1909.05820

[45] Hsin-Yuan Huang, Kishor Bharti, dan Patrick Rebentrost. “Algoritma kuantum jangka pendek untuk sistem persamaan linier dengan fungsi kerugian regresi”. Jurnal Fisika Baru 23, 113021 (2021).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/ac325f

[46] Yiğit Suba, Rolando D Somma, dan Davide Orsucci. “Algoritma kuantum untuk sistem persamaan linier yang terinspirasi oleh komputasi kuantum adiabatik”. Surat tinjauan fisik 122, 060504 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.060504

[47] Dong An dan Lin Lin. “Pemecah sistem linier kuantum berdasarkan komputasi kuantum adiabatik waktu optimal dan algoritma optimasi perkiraan kuantum”. Transaksi ACM pada Quantum Computing 3 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3498331

[48] Lin Lin dan Yu Tong. "Pemfilteran eigenstate kuantum berbasis polinomial optimal dengan aplikasi untuk memecahkan sistem linier kuantum". Kuantum 4, 361 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-11-11-361

[49] Rolando D Somma dan Sergio Boixo. "Amplifikasi celah spektral". Jurnal SIAM tentang Komputasi 42, 593–610 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 120871997

[50] Yosi Atia dan Dorit Aharonov. "Penerusan cepat hamiltonian dan pengukuran presisi eksponensial". Komunikasi alam 8, 1–9 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41467-017-01637-7

[51] Brielin Brown, Steven T Flammia, dan Norbert Schuch. "Kesulitan komputasi menghitung kepadatan negara". Surat tinjauan fisik 107, 040501 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.040501

[52] Stephen P Jordan, David Gosset, dan Peter J Love. “Quantum-merlin-arthur–masalah lengkap untuk stoquastic hamiltonians dan matriks markov”. Tinjauan Fisik A 81, 032331 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.032331

[53] Sevag Gharibian dan Jamie Sikora. "Konektivitas keadaan dasar dari hamiltonians lokal". ACM Trans. Hitung. Teori 10 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3186587

[54] James D. Watson dan Johannes Bausch. "Kompleksitas mendekati titik kritis transisi fase kuantum" (2021). arXiv:2105.13350.
arXiv: 2105.13350

Dikutip oleh

[1] Pablo AM Casares, Roberto Campos, dan MA Martin-Delgado, "TFermion: Perpustakaan penilaian biaya gerbang non-Clifford dari algoritma estimasi fase kuantum untuk kimia kuantum", Kuantum 6, 768 (2022).

[2] Yu Tong, "Merancang algoritma untuk memperkirakan sifat keadaan dasar pada komputer kuantum toleransi kesalahan awal", Tampilan Kuantum 6, 65 (2022).

[3] Yulong Dong, Lin Lin, dan Yu Tong, "Persiapan keadaan dasar dan estimasi energi pada komputer kuantum toleransi kesalahan awal melalui transformasi nilai eigen kuantum dari matriks kesatuan", arXiv: 2204.05955.

[4] Peter D. Johnson, Alexander A. Kunitsa, Jérôme F. Gonthier, Maxwell D. Radin, Corneliu Buda, Eric J. Doskocil, Clena M. Abuan, dan Jhonathan Romero, “Mengurangi biaya estimasi energi dalam variasi algoritma kuantum eigensolver dengan estimasi amplitudo yang kuat”, arXiv: 2203.07275.

[5] Guoming Wang, Sukin Sim, dan Peter D. Johnson, “Penguat Persiapan Negara untuk Komputasi Kuantum Toleran Kesalahan Awal”, arXiv: 2202.06978.

Kutipan di atas berasal dari Layanan dikutip-oleh Crossref (terakhir berhasil diperbarui 2022-07-28 15:34:04) dan SAO / NASA ADS (terakhir berhasil diperbarui, 2022-07-28 15:34:05). Daftar ini mungkin tidak lengkap karena tidak semua penerbit menyediakan data kutipan yang cocok dan lengkap.

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.