Komputasi kuantum yang toleran terhadap kesalahan dari pengamatan molekuler

Komputasi kuantum yang toleran terhadap kesalahan dari pengamatan molekuler

Stempel Waktu: 6 November 2023 7

Mark Steudtner1, Sam Morley-Pendek1, William Pol1, Sukin Sim1, Cristian L. Cortes2, Matthias Loipersberger2, Robert M. Parrish2, Matthias Degroote3, Nikolaj Moll3, Raffaele Santagati3, dan Michael Streif3

1PsiQuantum, 700 Hansen Way, Palo Alto, CA 94304, AS
2QC Ware Corp, Palo Alto, CA 94306, AS
3Lab Quantum, Boehringer Ingelheim, 55218 Ingelheim am Rhein, Jerman

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

Abstrak

Selama tiga dekade terakhir telah dilakukan pengurangan yang signifikan terhadap biaya estimasi energi keadaan dasar molekul Hamilton dengan komputer kuantum. Namun, hanya sedikit perhatian yang diberikan untuk memperkirakan nilai ekspektasi dari observasi lain sehubungan dengan keadaan dasar tersebut, yang penting untuk banyak aplikasi industri. Dalam karya ini kami menyajikan algoritma kuantum estimasi nilai ekspektasi (EVE) baru yang dapat diterapkan untuk memperkirakan nilai ekspektasi dari pengamatan sewenang-wenang sehubungan dengan status eigen sistem mana pun. Secara khusus, kami mempertimbangkan dua varian EVE: std-EVE, berdasarkan estimasi fase kuantum standar, dan QSP-EVE, yang menggunakan teknik pemrosesan sinyal kuantum (QSP). Kami menyediakan analisis kesalahan yang cermat untuk kedua varian dan meminimalkan jumlah faktor fase individual untuk QSPEVE. Analisis kesalahan ini memungkinkan kami menghasilkan estimasi sumber daya kuantum faktor konstan untuk std-EVE dan QSP-EVE di berbagai sistem molekuler dan observasi. Untuk sistem yang dipertimbangkan, kami menunjukkan bahwa QSP-EVE mengurangi jumlah gerbang (Toffoli) hingga tiga kali lipat dan mengurangi lebar qubit hingga 25% dibandingkan dengan std-EVE. Meskipun perkiraan jumlah sumber daya masih terlalu tinggi untuk komputer kuantum toleransi kesalahan generasi pertama, perkiraan kami merupakan yang pertama dalam penerapan estimasi nilai ekspektasi dan teknik modern berbasis QSP.

Komputasi kuantum yang toleran terhadap kesalahan dari pengamatan molekuler PlatoBlockchain Data Intelligence. Pencarian Vertikal. Ai.

► data BibTeX

► Referensi

[1] David Poulin, Matthew B. Hastings, Dave Wecker, Nathan Wiebe, Andrew C. Doberty, dan Matthias Troyer. “Ukuran langkah trotter diperlukan untuk simulasi kuantum kimia kuantum yang akurat”. Info Kuantum. Hitung. 15, 361–384 (2015).
https: / / doi.org/ 10.5555 / 2871401.2871402

[2] Markus Reiher, Nathan Wiebe, Krysta M. Svore, Dave Wecker, dan Matthias Troyer. “Menjelaskan mekanisme reaksi pada komputer kuantum”. Prosiding National Academy of Sciences 114, 7555–7560 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1619152114

[3] Ryan Babbush, Craig Gidney, Dominic W Berry, Nathan Wiebe, Jarrod McClean, Alexandru Paler, Austin Fowler, dan Hartmut Neven. “Pengkodean spektrum elektronik dalam sirkuit kuantum dengan kompleksitas T linier”. Tinjauan Fisik X 8, 041015 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[4] Dominic W. Berry, Craig Gidney, Mario Motta, Jarrod R. McClean, dan Ryan Babbush. “Qubitisasi kimia kuantum berbasis arbitrer yang memanfaatkan ketersebaran dan faktorisasi peringkat rendah”. Kuantum 3, 208 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-12-02-208

[5] Joonho Lee, Dominic W. Berry, Craig Gidney, William J. Huggins, Jarrod R. McClean, Nathan Wiebe, and Ryan Babbush. "Komputasi kimia kuantum yang lebih efisien melalui hiperkontraksi tensor". PRX Quantum 2, 030305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030305

[6] Yuan Su, Dominic W. Berry, Nathan Wiebe, Nicholas Rubin, dan Ryan Babbush. "Simulasi kimia kuantum toleran kesalahan dalam kuantisasi pertama". PRX Quantum 2, 040332 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040332

[7] Isaac H. Kim, Ye-Hua Liu, Sam Pallister, William Pol, Sam Roberts, dan Eunseok Lee. “Perkiraan sumber daya yang toleran terhadap kesalahan untuk simulasi kimia kuantum: Studi kasus pada molekul elektrolit baterai li-ion”. Fis. Penelitian Pdt 4, 023019 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.023019

[8] Alain Delgado, Pablo AM Casares, Roberto dos Reis, Modjtaba Shokrian Zini, Roberto Campos, Norge Cruz-Hernández, Arne-Christian Voigt, Angus Lowe, Soran Jahangiri, MA Martin-Delgado, Jonathan E. Mueller, dan Juan Miguel Arrazola. “Mensimulasikan properti utama baterai lithium-ion dengan komputer kuantum yang toleran terhadap kesalahan”. Fis. Pdt.A 106, 032428 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.106.032428

[9] Vera von Burg, Guang Hao Low, Thomas Häner, Damian S. Steiger, Markus Reiher, Martin Roetteler, dan Matthias Troyer. "Komputasi kuantum meningkatkan katalisis komputasi". Fis. Pdt. Res. 3, 033055 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.033055

[10] Joshua J. Goings, Alec White, Joonho Lee, Christofer S. Tautermann, Matthias Degroote, Craig Gidney, Toru Shiozaki, Ryan Babbush, dan Nicholas C. Rubin. “Menilai secara andal struktur elektronik sitokrom p450 pada komputer klasik saat ini dan komputer kuantum masa depan”. Prosiding National Academy of Sciences 119, e2203533119 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.2203533119

[11] Thomas E O'Brien, Michael Streif, Nicholas C Rubin, Raffaele Santagati, Yuan Su, William J Huggins, Joshua J Goings, Nikolaj Moll, Elica Kyoseva, Matthias Degroote, dkk. “Perhitungan kuantum yang efisien dari gaya molekul dan gradien energi lainnya”. Fis. Pdt. Res. 4, 043210 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.043210

[12] Christopher J Cramer. “Esensi Kimia Komputasi: Teori dan Model”. John Wiley & Putra. (2013). url: https://​/​www.wiley.com/​en-cn/​Essentials+of+Computational+Chemistry:+Theories+and+Models,+2nd+Edition-p-9780470091821.
https:/​/​www.wiley.com/​en-cn/​Essentials+of+Computational+Chemistry:+Theories+and+Models,+2nd+Edition-p-9780470091821

[13] Raffaele Santagati, Alan Aspuru-Guzik, Ryan Babbush, Matthias Degroote, Leticia Gonzalez, Elica Kyoseva, Nikolaj Moll, Markus Oppel, Robert M. Parrish, Nicholas C. Rubin, Michael Streif, Christofer S. Tautermann, Horst Weiss, Nathan Wiebe, dan Clemens Utschig-Utschig. “Desain obat pada komputer kuantum” (2023). arXiv:2301.04114.
arXiv: 2301.04114

[14] Clifford W Fong. “Permeabilitas sawar darah-otak: mekanisme molekuler pengangkutan obat dan senyawa penting secara fisiologis”. Jurnal biologi membran 248, 651–669 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00232-015-9778-9

[15] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz, dan Rolando D. Somma. “Pengukuran kuantum optimal dari nilai ekspektasi yang dapat diamati”. Tinjauan Fisik A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.75.012328

[16] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca, dan Alain Tapp. “Amplifikasi dan estimasi amplitudo kuantum”. Matematika Kontemporer 305, 53–74 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1090 / conm / 305/05215

[17] A.Yu. Kitaev. "Pengukuran kuantum dan Masalah Abelian Stabilizer" (1995). arXiv:quant-ph/​9511026.
arXiv: quant-ph / 9511026

[18] David Poulin dan Pawel Wocjan. “Mempersiapkan Keadaan Dasar Sistem Banyak Benda Kuantum pada Komputer Kuantum”. Surat Tinjauan Fisik 102, 130503 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.102.130503

[19] David Poulin, Alexei Kitaev, Damian S. Steiger, Matthew B. Hastings, dan Matthias Troyer. “Algoritma kuantum untuk pengukuran spektral dengan jumlah gerbang yang lebih rendah”. Fis. Pendeta Lett. 121, 010501 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.010501

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

[21] 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

[22] Ruizhe Zhang, Guoming Wang, dan Peter Johnson. “Menghitung Properti Keadaan Dasar dengan Komputer Kuantum Toleransi Kesalahan Awal”. Kuantum 6, 761 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-11-761

[23] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz, dan Rolando D. Somma. “Pengukuran kuantum optimal dari nilai ekspektasi yang dapat diamati”. Fis. Pdt.A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328

[24] András Gilyén, Yuan Su, Guang Hao Low, dan Nathan Wiebe. “Transformasi nilai tunggal kuantum dan seterusnya: peningkatan eksponensial untuk aritmatika matriks kuantum”. Dalam Prosiding Simposium ACM SIGACT Tahunan ke-51 tentang Teori Komputasi. ACM (2019).

[25] Patrick Ral. "Algoritma kuantum untuk memperkirakan jumlah fisik menggunakan pengkodean blok". Fisika. Rev A 102, 022408 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.022408

[26] William J. Huggins, Kianna Wan, Jarrod McClean, Thomas E. O'Brien, Nathan Wiebe, dan Ryan Babbush. “Algoritma kuantum yang hampir optimal untuk memperkirakan beberapa nilai ekspektasi”. Fis. Pendeta Lett. 129, 240501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.240501

[27] Arjan Cornelissen, Yassine Hamoudi, dan Sofiene Jerbi. “Algoritma kuantum yang hampir optimal untuk estimasi rata-rata multivariat”. Dalam Prosiding Simposium ACM SIGACT Tahunan ke-54 tentang Teori Komputasi. Halaman 33–43. STOC 2022New York, NY, AS (2022). Asosiasi Mesin Komputasi.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3520045

[28] Guang Hao Low dan Isaac L. Chuang. "Simulasi hamiltonian optimal dengan pemrosesan sinyal kuantum". Fisika. Pendeta Lett. 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501

[29] Patrick Rall. “Algoritma Kuantum Koheren Lebih Cepat untuk Estimasi Fase, Energi, dan Amplitudo”. Kuantum 5, 566 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-10-19-566

[30] John M. Martyn, Zane M. Rossi, Andrew K. Tan, and Isaac L. Chuang. "Penyatuan besar algoritma kuantum". PRX Quantum 2, 040203 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040203

[31] Wim van Dam, G. Mauro D'Ariano, Artur Ekert, Chiara Macchiavello, dan Michele Mosca. “Sirkuit kuantum optimal untuk estimasi fase umum”. Fis. Pendeta Lett. 98, 090501 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.090501

[32] Gumaro Rendon, Taku Izubuchi, dan Yuta Kikuchi. “Pengaruh jendela lancip kosinus pada estimasi fase kuantum”. Fis. Pdt.D 106, 034503 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.106.034503

[33] Kosuke Mitarai, Kiichiro Toyoizumi, dan Wataru Mizukami. “Teori gangguan dengan pemrosesan sinyal kuantum”. Kuantum 7, 1000 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-05-12-1000

[34] Dominic W. Berry, Mária Kieferová, Artur Scherer, Yuval R. Sanders, Guang Hao Low, Nathan Wiebe, Craig Gidney, dan Ryan Babbush. “Peningkatan teknik untuk mempersiapkan keadaan eigen dari fermionik hamiltonian”. npj Informasi Kuantum 4, 22 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-018-0071-5

[35] 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

[36] Yulong Dong, Lin Lin, dan Yu Tong. "Persiapan keadaan dasar dan estimasi energi pada komputer kuantum toleran kesalahan awal melalui transformasi nilai eigen kuantum dari matriks kesatuan". PRX Kuantum 3, 040305 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.040305

[37] 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

[38] Richard Cleve, Artur Ekert, Chiara Macchiavello, dan Michele Mosca. “Algoritme kuantum ditinjau kembali”. Prosiding Royal Society of London. Seri A: Ilmu Matematika, Fisika dan Teknik 454, 339–354 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.1998.0164

[39] Craig Gidney. “Mengurangi separuh biaya penambahan kuantum”. Kuantum 2, 74 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-06-18-74

[40] Jiasu Wang, Yulong Dong, dan Lin Lin. “Tentang lanskap energi pemrosesan sinyal kuantum simetris”. Kuantum 6, 850 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-11-03-850

[41] Guang Hao Rendah. “Pemrosesan sinyal kuantum dengan dinamika qubit tunggal”. Tesis PhD. Institut Teknologi Massachusetts. (2017).

[42] Yulong Dong, Xiang Meng, K. Birgitta Whaley, dan Lin Lin. “Evaluasi faktor fase yang efisien dalam pemrosesan sinyal kuantum”. Tinjauan Fisik A 103, 042419 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.103.042419

[43] Yulong Dong, Lin Lin, Hongkang Ni, dan Jiasu Wang. “Pemrosesan sinyal kuantum tanpa batas” (2022). arXiv:2209.10162.
arXiv: 2209.10162

[44] Diptarka Hait dan Martin Head-Gordon. “Seberapa akurat teori fungsi kerapatan dalam memprediksi momen dipol? Penilaian menggunakan database baru yang berisi 200 nilai patokan”. Jurnal Teori dan Komputasi Kimia 14, 1969–1981 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.7b01252

[45] Qiming Sun, Xing Zhang, Samragni Banerjee, Peng Bao, Marc Barbry, Nick S. Blunt, Nikolay A. Bogdanov, George H. Booth, Jia Chen, Zhi-Hao Cui, Janus J. Eriksen, Yang Gao, Sheng Guo, Jan Hermann, Matthew R. Hermes, Kevin Koh, Peter Koval, Susi Lehtola, Zhendong Li, Junzi Liu, Narbe Mardirossian, James D. McClain, Mario Motta, Bastien Mussard, Hung Q. Pham, Artem Pulkin, Wirawan Purwanto, Paul J. Robinson, Enrico Ronca, Elvira R. Sayfutyarova, Maximilian Scheurer, Henry F. Schurkus, James ET Smith, Chong Sun, Shi-Ning Sun, Shiv Upadhyay, Lucas K. Wagner, Xiao Wang, Alec White, James Daniel Whitfield, Mark J Williamson, Sebastian Wouters, Jun Yang, Jason M.Yu, Tianyu Zhu, Timothy C. Berkelbach, Sandeep Sharma, Alexander Yu. Sokolov, dan Garnet Kin-Lic Chan. “Perkembangan terkini dalam paket program PySCF”. Jurnal Fisika Kimia 153, 024109 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0006074

[46] Qiming Sun, Timothy C. Berkelbach, Nick S. Blunt, George H. Booth, Sheng Guo, Zhendong Li, Junzi Liu, James D. McClain, Elvira R. Sayfutyarova, Sandeep Sharma, Sebastian Wouters, dan Garnet Kin-Lic Chan. “Pyscf: simulasi kerangka kimia berbasis python”. Ilmu Molekuler Komputasi WIREs 8, e1340 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1002 / wcms.1340

[47] Huanchen Zhai dan Garnet Kin-Lic Chan. "Algoritma kelompok renormalisasi matriks kepadatan ab initio kinerja tinggi komunikasi rendah". J.kimia. Fis. 154, 224116 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0050902

[48] Dominik Marx dan Jurg Hutter. “Dinamika molekuler ab initio: Teori dan implementasi”. Metode modern dan algoritma kimia kuantum 1, 141 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511609633

[49] JC Slater. “Struktur virus dan molekul”. Jurnal Fisika Kimia 1, 687–691 (1933).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1749227

[50] Jeffrey Cohn, Mario Motta, dan Robert M. Parrish. "Diagonalisasi filter kuantum dengan hamiltonian faktor ganda terkompresi". PRX Quantum 2, 040352 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040352

[51] Guang Hao Rendah, Vadym Kliuchnikov, dan Luke Schaeffer. “Perdagangan gerbang T untuk qubit kotor dalam persiapan negara dan sintesis kesatuan” (2018). arXiv:1812.00954.
arXiv: 1812.00954

Dikutip oleh

[1] Ignacio Loaiza dan Artur F. Izmaylov, “Pergeseran Simetri Invarian Blok: Teknik Pemrosesan Awal untuk Hamiltonian Terkuantisasi Kedua untuk Meningkatkan Dekomposisinya menjadi Kombinasi Linier Kesatuan”, Jurnal Teori dan Komputasi Kimia acs.jctc.3c00912 (2023).

[2] Alexander M. Dalzell, Sam McArdle, Mario Berta, Przemyslaw Bienias, Chi-Fang Chen, András Gilyén, Connor T. Hann, Michael J. Kastoryano, Emil T. Khabiboulline, Aleksander Kubica, Grant Salton, Samson Wang, dan Fernando GSL Brandão, “Algoritme kuantum: Survei aplikasi dan kompleksitas ujung ke ujung”, arXiv: 2310.03011, (2023).

[3] Cristian L. Cortes, Matthias Loipersberger, Robert M. Parrish, Sam Morley-Short, William Pol, Sukin Sim, Mark Steudtner, Christofer S. Tautermann, Matthias Degroote, Nikolaj Moll, Raffaele Santagati, dan Michael Streif, “Kesalahan -algoritma kuantum toleran untuk teori gangguan yang disesuaikan dengan simetri”, arXiv: 2305.07009, (2023).

[4] Sophia Simon, Raffaele Santagati, Matthias Degroote, Nikolaj Moll, Michael Streif, dan Nathan Wiebe, “Peningkatan penskalaan presisi untuk simulasi dinamika kuantum-klasik berpasangan”, arXiv: 2307.13033, (2023).

[5] Ignacio Loaiza dan Artur F. Izmaylov, “Pergeseran Simetri Invarian Blok: Teknik prapemrosesan untuk Hamiltonian terkuantisasi kedua untuk meningkatkan dekomposisinya menjadi Kombinasi Linier Kesatuan”, arXiv: 2304.13772, (2023).

Kutipan di atas berasal dari Layanan dikutip-oleh Crossref (terakhir berhasil diperbarui 2023-11-13 12:50:11) dan SAO / NASA ADS (terakhir berhasil diperbarui, 2023-11-13 12:50:12). 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.

Stempel Waktu:

Lebih dari Jurnal Kuantum