Algoritma klasik yang efisien untuk mensimulasikan sistem kuantum simetris

Algoritma klasik yang efisien untuk mensimulasikan sistem kuantum simetris

Eric R. Anschuetz1, Andreas Bauer2, Bobak T.Kiani3, dan Seth Lloyd4,5

1Pusat Fisika Teoritis MIT, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02139, AS
2Pusat Sistem Kuantum Kompleks Dahlem, Freie Universitรคt Berlin, Arnimallee 14, 14195 Berlin, Jerman
3Departemen Teknik Elektro dan Ilmu Komputer MIT, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02139, AS
4Departemen Teknik Mesin MIT, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02139, AS
5Turing Inc., Cambridge, MA 02139, AS

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

Abstrak

Mengingat algoritma kuantum yang diusulkan baru-baru ini yang menggabungkan simetri dengan harapan mendapatkan keuntungan kuantum, kami menunjukkan bahwa dengan simetri yang cukup membatasi, algoritma klasik dapat secara efisien meniru rekan-rekan kuantumnya dengan memberikan deskripsi klasik tertentu tentang masukannya. Secara khusus, kami memberikan algoritme klasik yang menghitung keadaan dasar dan nilai ekspektasi yang berevolusi terhadap waktu untuk Hamiltonian invarian permutasi yang ditentukan dalam basis Pauli yang disimetriskan dengan polinomial runtime dalam ukuran sistem. Kami menggunakan metode jaringan tensor untuk mengubah operator ekuivalen simetri ke basis Schur blok-diagonal yang berukuran polinomial, dan kemudian melakukan perkalian atau diagonalisasi matriks yang tepat dalam basis ini. Metode-metode ini dapat disesuaikan dengan berbagai status masukan dan keluaran termasuk yang ditentukan dalam basis Schur, sebagai status produk matriks, atau sebagai status kuantum sembarang ketika diberi kemampuan untuk menerapkan rangkaian kedalaman rendah dan pengukuran qubit tunggal.

Kami menyelidiki apakah kehadiran simetri dalam sistem kuantum dapat membuatnya lebih mudah dianalisis dengan algoritma klasik. Kami menunjukkan bahwa algoritma klasik dapat secara efisien menghitung berbagai sifat statis dan dinamis model kuantum dengan kelompok simetri besar; kami fokus pada grup permutasi sebagai contoh spesifik dari grup simetri tersebut. Algoritme kami, yang berjalan dalam polinomial waktu dalam ukuran sistem dan dapat beradaptasi dengan berbagai masukan keadaan kuantum, menantang persepsi perlunya menggunakan komputasi kuantum untuk mempelajari model-model ini dan membuka jalan baru untuk menggunakan komputasi klasik untuk mempelajari sistem kuantum.

โ–บ data BibTeX

โ–บ Referensi

[1] Hans Bethe. โ€œZur theorie der metalleโ€. Z.Fisika. 71, 205โ€“226 (1931).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01341708

[2] M.A.Levin dan X.-G. Wen. โ€œKondensasi string-net: Mekanisme fisik untuk fase topologiโ€. Fis. Pdt. B 71, 045110 (2005).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1103/โ€‹PhysRevB.71.045110

[3] A A. Belavin, A.M. Polyakov, dan A.B. Zamolodchikov. โ€œSimetri konformal tak terbatas dalam teori medan kuantum dua dimensiโ€. inti. Fis. B 241, 333โ€“380 (1984).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1016/โ€‹0550-3213(84)90052-X

[4] Louis Schatzki, Martin Larocca, Quynh T. Nguyen, Frederic Sauvage, dan M. Cerezo. โ€œJaminan teoretis untuk jaringan saraf kuantum ekivalen permutasiโ€ (2022). arXiv:2210.09974.
arXiv: 2210.09974

[5] Shouzhen Gu, Rolando D. Somma, dan Burak ลžahinoฤŸlu. โ€œEvolusi kuantum yang maju cepatโ€. Kuantum 5, 577 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2021-11-15-577

[6] Roeland Wiersema, Cunlu Zhou, Yvette de Sereville, Juan Felipe Carrasquilla, Yong Baek Kim, dan Henry Yuen. โ€œMenjelajahi keterjeratan dan optimalisasi dalam ansatz variasional Hamiltonianโ€. PRX Kuantum 1, 020319 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.1.020319

[7] Eric Ricardo Anschuetz. โ€œTitik kritis dalam model generatif kuantumโ€. Dalam Konferensi Internasional tentang Representasi Pembelajaran. (2022). url: https://โ€‹/โ€‹openreview.net/โ€‹forum?id=2f1z55GVQN.
https://โ€‹/โ€‹openreview.net/โ€‹forum?id=2f1z55GVQN

[8] Rolando Somma, Howard Barnum, Gerardo Ortiz, dan Emanuel Knill. โ€œSolvabilitas yang efisien bagi warga Hamilton dan batasan kekuatan beberapa model komputasi kuantumโ€. Fis. Pendeta Lett. 97, 190501 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.97.190501

[9] Robert Zeier dan Thomas Schulte-Herbrรผggen. โ€œPrinsip simetri dalam teori sistem kuantumโ€. J.Matematika. Fis. 52, 113510 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.3657939

[10] Xuchen You, Shouvanik Chakrabarti, dan Xiaodi Wu. โ€œTeori konvergensi untuk pemecah eigen kuantum variasional dengan parameter berlebihanโ€ (2022). arXiv:2205.12481.
arXiv: 2205.12481

[11] Eric R. Anschuetz dan Bobak T. Kiani. โ€œAlgoritme variasi kuantum dibanjiri dengan jebakanโ€. Nat. Komunitas. 13, 7760 (2022).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41467-022-35364-5

[12] Grecia Castelazo, Quynh T. Nguyen, Giacomo De Palma, Dirk Englund, Seth Lloyd, dan Bobak T. Kiani. โ€œAlgoritme kuantum untuk konvolusi grup, korelasi silang, dan transformasi ekuivalenโ€. Fis. Pdt.A 106, 032402 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.106.032402

[13] Johannes Jakob Meyer, Marian Mularski, Elies Gil-Fuster, Antonio Anna Mele, Francesco Arzani, Alissa Wilms, dan Jens Eisert. โ€œMemanfaatkan simetri dalam pembelajaran mesin kuantum variasionalโ€ (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.4.010328

[14] Martรญn Larocca, Frรฉdรฉric Sauvage, Faris M. Sbahi, Guillaume Verdon, Patrick J. Coles, dan M. Cerezo. โ€œPembelajaran mesin kuantum invarian kelompokโ€. PRX Kuantum 3, 030341 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.030341

[15] Michael Ragone, Paolo Braccia, Quynh T Nguyen, Louis Schatzki, Patrick J Coles, Frederic Sauvage, Martin Larocca, dan M Cerezo. โ€œTeori representasi untuk pembelajaran mesin kuantum geometrisโ€ (2022). arXiv:2210.07980.
arXiv: 2210.07980

[16] Michael M. Bronstein, Joan Bruna, Yann LeCun, Arthur Szlam, dan Pierre Vandergheynst. โ€œPembelajaran mendalam geometris: Melampaui data Euclideanโ€. Proses Sinyal IEEE. Mag. 34, 18โ€“42 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1109 / MSP.2017.2693418

[17] Zonghan Wu, Shirui Pan, Fengwen Chen, Guodong Long, Chengqi Zhang, dan Philip S. Yu. โ€œSurvei komprehensif tentang jaringan saraf grafikโ€. IEEE Trans. Jaringan Syaraf. Mempelajari. sistem. 32, 4โ€“24 (2021).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1109/โ€‹TNNLS.2020.2978386

[18] Taco Cohen dan Max Welling. โ€œGrup jaringan konvolusional ekivalenโ€. Dalam Maria Florina Balcan dan Kilian Q. Weinberger, editor, Prosiding Konferensi Internasional ke-33 tentang Pembelajaran Mesin. Volume 48 Prosiding Penelitian Pembelajaran Mesin, halaman 2990โ€“2999. New York, New York, AS (2016). PMLR. url: https://โ€‹/โ€‹proceedings.mlr.press/โ€‹v48/โ€‹cohenc16.html.
https://โ€‹/โ€‹proceedings.mlr.press/โ€‹v48/โ€‹cohenc16.html

[19] Peter J. Olver. โ€œTeori invarian klasikโ€. Teks Mahasiswa Masyarakat Matematika London. Pers Universitas Cambridge. Cambridge, Inggris (1999).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511623660

[20] Bernd Sturmfels. โ€œAlgoritma dalam teori invarianโ€. Teks & Monograf dalam Perhitungan Simbolik. Springer Wina. Wina, Austria (2008).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1007/โ€‹978-3-211-77417-5

[21] Ran Duan, Hongxun Wu, dan Renfei Zhou. โ€œPerkalian matriks lebih cepat melalui hashing asimetrisโ€ (2022). arXiv:2210.10173.
arXiv: 2210.10173

[22] James Demmel, Ioana Dumitriu, dan Olga Holtz. โ€œAljabar linier cepat itu stabilโ€. Angka. Matematika. 108, 59โ€“91 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s00211-007-0114-x

[23] Barbara M. Terhal dan David P. DiVincenzo. "Simulasi klasik rangkaian kuantum fermion noninteraksi". Fis. Pdt.A 65, 032325 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.65.032325

[24] Nathan Shammah, Shahnawaz Ahmed, Neill Lambert, Simone De Liberato, dan Franco Nori. โ€œSistem kuantum terbuka dengan proses inkoheren lokal dan kolektif: Simulasi numerik yang efisien menggunakan invarian permutasionalโ€. Fis. Pdt.A 98, 063815 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.063815

[25] Guang Hao Rendah. โ€œBayangan klasik fermion dengan simetri nomor partikelโ€ (2022). arXiv:2208.08964.
arXiv: 2208.08964

[26] Dave Bacon, Isaac L. Chuang, dan Aram W. Harrow. โ€œSirkuit kuantum yang efisien untuk transformasi Schur dan Clebsch-Gordanโ€. Fis. Pendeta Lett. 97, 170502 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.97.170502

[27] Dave Bacon, Isaac L. Chuang, dan Aram W. Harrow. โ€œTransformasi Schur kuantum: I. sirkuit qudit yang efisienโ€ (2006). arXiv:quant-ph/โ€‹0601001.
arXiv: quant-ph / 0601001

[28] William M. Kirby dan Frederick W. Strauch. โ€œAlgoritma kuantum praktis untuk transformasi Schurโ€. Info Kuantum. Hitung. 18, 721โ€“742 (2018). url: https://โ€‹/โ€‹dl.acm.org/โ€‹doi/โ€‹10.5555/โ€‹3370214.3370215.
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 3370214.3370215

[29] Michael Gegg dan Marten Richter. โ€œPendekatan numerik yang efisien dan tepat untuk banyak sistem multi-level dalam sistem terbuka CQEDโ€. J.Fisika baru. 18, 043037 (2016).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹1367-2630/โ€‹18/โ€‹4/โ€‹043037

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

[31] Yunchao Liu, Srinivasan Arunachalam, dan Kristan Temme. โ€œPercepatan kuantum yang ketat dan kuat dalam pembelajaran mesin yang diawasiโ€. Nat. Fis. 17, 1013โ€“1017 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-021-01287-z

[32] Jarrod R McClean, Sergio Boixo, Vadim N Smelyanskiy, Ryan Babbush, dan Hartmut Neven. โ€œDataran tinggi tandus dalam lanskap pelatihan jaringan saraf kuantumโ€. Nat. Komunitas. 9, 4812 (2018).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41467-018-07090-4

[33] Marco Cerezo, Akira Sone, Tyler Volkoff, Lukasz Cincio, dan Patrick J Coles. โ€œDataran tinggi tandus yang bergantung pada fungsi biaya di sirkuit kuantum berparametri dangkalโ€. Nat. Komunitas. 12 Agustus 1791โ€“1802 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-021-21728-w

[34] Carlos Ortiz Marrero, Mรกria Kieferovรก, dan Nathan Wiebe. "Dataran tinggi tandus yang diinduksi keterikatan". PRX Quantum 2, 040316 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040316

[35] John Napp. โ€œMengukur fenomena dataran tinggi tandus untuk model variasional tidak terstrukturโ€ (2022). arXiv:2203.06174.
arXiv: 2203.06174

[36] Martin Larocca, Piotr Czarnik, Kunal Sharma, Gopikrishnan Muraleedharan, Patrick J. Coles, dan M. Cerezo. โ€œMendiagnosis dataran tinggi tandus dengan alat dari kontrol optimal kuantumโ€. Kuantum 6, 824 (2022).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2022-09-29-824

[37] Martin Larocca, Nathan Ju, Diego Garcรญa-Martรญn, Patrick J. Coles, dan M. Cerezo. โ€œTeori overparametrisasi dalam jaringan saraf kuantumโ€ (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s43588-023-00467-6

[38] Bradley A. Chase dan JM Geremia. โ€œProses kolektif dari kumpulan partikel spin-$1/โ€‹2$โ€. Fis. Pdt.A 78, 052101 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.052101

[39] Peter Kirton dan Jonathan Keeling. โ€œKeadaan superradian dan penguat dalam model Dicke yang didorong-disipatifโ€. J.Fisika baru. 20, 015009 (2018).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹1367-2630/โ€‹aaa11d

[40] Athreya Shankar, John Cooper, Justin G. Bohnet, John J. Bollinger, dan Murray Holland. โ€œSinkronisasi putaran keadaan tunak melalui gerakan kolektif ion-ion yang terperangkapโ€. Fis. Pdt.A 95, 033423 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.033423

[41] Ryszard Horodecki, Paweล‚ Horodecki, Michaล‚ Horodecki, dan Karol Horodecki. "Keterikatan kuantum". Pendeta Mod. Fisika. 81, 865โ€“942 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.865

[42] Zheshen Zhang dan Quntao Zhuang. โ€œPenginderaan kuantum terdistribusiโ€. Ilmu Pengetahuan Kuantum. Teknologi. 6, 043001 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹2058-9565/โ€‹abd4c3

[43] Robert Alicki, Sล‚awomir Rudnicki, dan Sล‚awomir Sadowski. โ€œSifat simetri keadaan produk untuk sistem atom tingkat N nโ€. J.Matematika. Fis. 29, 1158โ€“1162 (1988).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.527958

[44] Ryan O'Donnell dan John Wright. โ€œMempelajari dan menguji keadaan kuantum melalui kombinatorik probabilistik dan teori representasiโ€. Saat ini. Dev. Matematika. 2021, 43โ€“94 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.4310/โ€‹CDM.2021.v2021.n1.a2

[45] Andrew M. Childs, Aram W. Harrow, dan Paweล‚ Wocjan. โ€œPengambilan sampel Fourier-Schur yang lemah, masalah subgrup tersembunyi, dan masalah tumbukan kuantumโ€. Dalam Wolfgang Thomas dan Pascal Weil, editor, STACS 2007. Halaman 598โ€“609. Berlin (2007). Pegas Berlin Heidelberg.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1007/โ€‹978-3-540-70918-3_51

[46] Dorit Aharonov dan Sandy Irani. โ€œKompleksitas Hamilton dalam batas termodinamikaโ€. Dalam Stefano Leonardi dan Anupam Gupta, editor, Prosiding Simposium ACM SIGACT Tahunan ke-54 tentang Teori Komputasi. Halaman 750โ€“763. STOC 2022New York (2022). Asosiasi Mesin Komputasi.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3520067

[47] James D. Watson dan Toby S. Cubitt. โ€œKompleksitas komputasi masalah kepadatan energi keadaan dasarโ€. Dalam Stefano Leonardi dan Anupam Gupta, editor, Prosiding Simposium ACM SIGACT Tahunan ke-54 tentang Teori Komputasi. Halaman 764โ€“775. STOC 2022New York (2022). Asosiasi Mesin Komputasi.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3520052

[48] Eric R. Anschuetz, Hong-Ye Hu, Jin-Long Huang, dan Xun Gao. โ€œKeuntungan kuantum yang dapat ditafsirkan dalam pembelajaran urutan sarafโ€. PRX Kuantum 4, 020338 (2023).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.4.020338

[49] Jin-Quan Chen, Jialun Ping, dan Fan Wang. โ€œTeori representasi kelompok untuk fisikawanโ€. Penerbitan Ilmiah Dunia. Singapura (2002). edisi ke-2.
https: / / doi.org/ 10.1142 / 5019

[50] OEIS Foundation Inc. โ€œEnsiklopedia On-Line Barisan Integerโ€ (2022). Diterbitkan secara elektronik di http://โ€‹/โ€‹oeis.org, Urutan A000292.
http://โ€‹/โ€‹oeis.org

[51] William Fulton. "Tableaux muda: Dengan aplikasi pada teori representasi dan geometri". Teks Mahasiswa Masyarakat Matematika London. Pers Universitas Cambridge. Cambridge, Inggris (1996).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511626241

[52] Kenneth R Davidson. โ€œC*-aljabar dengan contohโ€. Jilid 6 Monograf Fields Institute. Masyarakat Matematika Amerika. Ann Arbor, AS (1996). url: https://โ€‹/โ€‹bookstore.ams.org/โ€‹fim-6.
https://โ€‹/โ€‹bookstore.ams.org/โ€‹fim-6

[53] Giulio Racah. โ€œTeori spektrum kompleks. IIโ€. Fis. Wahyu 62, 438โ€“462 (1942).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.62.438

[54] Vojtฤ›ch Havlรญฤek dan Sergii Strelchuk. โ€œSirkuit pengambilan sampel Quantum Schur dapat disimulasikan dengan kuatโ€. Fis. Pendeta Lett. 121, 060505 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.060505

[55] RH Dicky. "Koherensi dalam proses radiasi spontan". fisik Wahyu 93, 99โ€“110 (1954).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.93.99

[56] Andreas Bรคrtschi dan Stephan Eidenbenz. โ€œPersiapan deterministik negara bagian Dickeโ€. Dalam Leszek Antoni Gฤ…sieniec, Jesper Jansson, dan Christos Levcopoulos, editor, Fundamentals of Computation Theory. Halaman 126โ€“139. Cham (2019). Penerbitan Internasional Springer.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1007/โ€‹978-3-030-25027-0_9

[57] N.J. Vilenkin dan A.U. Klimyk. โ€œRepresentasi kelompok Kebohongan dan fungsi khususโ€. Jilid 3. Pegas Dordrecht. Dordrecht, Belanda (1992).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1007/โ€‹978-94-017-2885-0

Dikutip oleh

[1] Matthew L. Goh, Martin Larocca, Lukasz Cincio, M. Cerezo, dan Frรฉdรฉric Sauvage, โ€œSimulasi klasik aljabar Lie untuk komputasi kuantum variasionalโ€, arXiv: 2308.01432, (2023).

[2] Caleb Rotello, Eric B. Jones, Peter Graf, dan Eliot Kapit, โ€œDeteksi otomatis subruang yang dilindungi simetri dalam simulasi kuantumโ€, Penelitian Tinjauan Fisik 5 3, 033082 (2023).

[3] Tobias Haug dan M. S. Kim, โ€œGeneralisasi dengan geometri kuantum untuk kesatuan pembelajaranโ€, arXiv: 2303.13462, (2023).

[4] Jamie Heredge, Charles Hill, Lloyd Hollenberg, dan Martin Sevior, โ€œPengkodean Invarian Permutasi untuk Pembelajaran Mesin Kuantum dengan Data Point Cloudโ€, arXiv: 2304.03601, (2023).

[5] Lรฉo Monbroussou, Jonas Landman, Alex B. Grilo, Romain Kukla, dan Elham Kashefi, โ€œKemampuan Pelatihan dan Ekspresivitas Sirkuit Kuantum Pelestarian Berat Hamming untuk Pembelajaran Mesinโ€, arXiv: 2309.15547, (2023).

Kutipan di atas berasal dari SAO / NASA ADS (terakhir berhasil diperbarui, 2023-11-28 11:44:12). Daftar ini mungkin tidak lengkap karena tidak semua penerbit menyediakan data kutipan yang cocok dan lengkap.

Tidak dapat mengambil Crossref dikutip oleh data selama upaya terakhir 2023-11-28 11:44:01: Tidak dapat mengambil data yang dikutip oleh untuk 10.22331 / q-2023-11-28-1189 dari Crossref. Ini normal jika DOI terdaftar baru-baru ini.

Stempel Waktu:

Lebih dari Jurnal Kuantum