분자 관측 가능 항목의 내결함성 양자 계산

분자 관측 가능 항목의 내결함성 양자 계산

타임 스탬프 : 6 년 2023 월 7 일 오전 23:XNUMX

마크 스튜트너1, 샘 몰리-쇼트1, 윌리엄 폴1, 심석인1, 크리스티안 L. 코르테스2, 마티아스 로이퍼스베르거2, 로버트 M. 패리쉬2, 마티아스 디그루트3, 니콜라이 몰3, 라파엘레 산타가티3및 마이클 스트라이프3

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

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추상

지난 25년 동안 양자 컴퓨터를 사용하여 분자 해밀턴의 바닥 상태 에너지를 추정하는 비용이 크게 절감되었습니다. 그러나 많은 산업 응용에 중요한 상기 바닥 상태와 관련하여 다른 관측 가능 항목의 기대 값을 추정하는 데 비교적 적은 관심이 기울여졌습니다. 이 연구에서 우리는 시스템의 고유 상태와 관련하여 임의의 관측 가능 항목의 기대값을 추정하는 데 적용할 수 있는 새로운 기대값 추정(EVE) 양자 알고리즘을 제시합니다. 특히 EVE의 두 가지 변형인 표준 양자 위상 추정을 기반으로 하는 std-EVE와 양자 신호 처리(QSP) 기술을 활용하는 QSP-EVE를 고려합니다. 우리는 두 변형 모두에 대해 엄격한 오류 분석을 제공하고 QSPEVE에 대한 개별 위상 요인의 수를 최소화합니다. 이러한 오류 분석을 통해 다양한 분자 시스템 및 관측 가능 항목에 걸쳐 std-EVE 및 QSP-EVE에 대한 상수 인자 양자 자원 추정치를 생성할 수 있습니다. 고려된 시스템의 경우 QSP-EVE는 (Toffoli) 게이트 수를 std-EVE에 비해 최대 XNUMX배까지 줄이고 큐비트 폭을 최대 XNUMX%까지 줄이는 것을 보여줍니다. 예상 리소스 수는 XNUMX세대 내결함성 양자 컴퓨터에 비해 너무 높지만, 우리의 추정은 기대값 추정 적용과 최신 QSP 기반 기술 모두에 대한 최초의 기록입니다.

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► 참고 문헌

[1] David Poulin, Matthew B. Hastings, Dave Wecker, Nathan Wiebe, Andrew C. Doberty 및 Matthias Troyer. “양자화학의 정확한 양자 시뮬레이션에 필요한 트로터 단계 크기”. 양자 정보. 계산. 15, 361–384(2015).
https : / /doi.org/ 10.5555 / 2871401.2871402

[2] Markus Reiher, Nathan Wiebe, Krysta M. Svore, Dave Wecker 및 Matthias Troyer. "양자 컴퓨터의 반응 메커니즘 규명". 국립 과학 아카데미 절차 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 및 Hartmut Neven. “선형 T 복잡도를 갖는 양자 회로의 전자 스펙트럼 인코딩”. 실제 검토 X 8, 041015 (2018).
https : / /doi.org/10.1103/ PhysRevX.8.041015

[4] Dominic W. Berry, Craig Gidney, Mario Motta, Jarrod R. McClean 및 Ryan Babbush. “희소성과 낮은 순위 인수분해를 활용하는 임의 기반 양자 화학의 큐비트화”. 양자 3, 208(2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-12-02-208

[5] 이준호, Dominic W. Berry, Craig Gidney, William J. Huggins, Jarrod R. McClean, Nathan Wiebe, Ryan Babbush. "텐서 하이퍼수축을 통한 화학의 훨씬 더 효율적인 양자 계산". PRX 퀀텀 2, 030305(2021).
https : / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030305

[6] Yuan Su, Dominic W. Berry, Nathan Wiebe, Nicholas Rubin, Ryan Babbush. "첫 번째 양자화에서 화학의 내결함성 양자 시뮬레이션". PRX 퀀텀 2, 040332(2021).
https : / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040332

[7] Isaac H. Kim, Ye-Hua Liu, Sam Pallister, William Pol, Sam Roberts, 이은석. "양자 화학 시뮬레이션을 위한 내결함성 자원 추정: 리튬 이온 배터리 전해질 분자에 대한 사례 연구". 물리. 연구 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 및 Juan Miguel Arrazola. "내결함성 양자 컴퓨터를 사용하여 리튬 이온 배터리의 주요 특성 시뮬레이션". 물리. 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 및 Matthias Troyer. “양자 컴퓨팅으로 강화된 계산 촉매작용”. 물리. 목사 결의안. 3, 033055(2021).
https : / /doi.org/10.1103/ PhysRevResearch.3.033055

[10] Joshua J. Goings, Alec White, 이준호, Christofer S. Tautermann, Matthias Degroote, Craig Gidney, Toru Shiozaki, Ryan Babbush 및 Nicholas C. Rubin. “현재의 클래식 컴퓨터와 미래의 양자 컴퓨터에서 시토크롬 p450의 전자 구조를 안정적으로 평가합니다.” 국립과학원회보 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 등 "분자력 및 기타 에너지 구배의 효율적인 양자 계산". 물리. 목사 결의안. 4, 043210(2022).
https : / /doi.org/10.1103/ PhysRevResearch.4.043210

[12] 크리스토퍼 J 크레이머. “계산화학의 필수요소: 이론과 모델”. 존 와일리 & 선즈. (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, 및 클레멘스 우치히-우치히(Clemens Utschig-Utschig). “양자 컴퓨터의 약물 설계”(2023). arXiv:2301.04114.
arXiv : 2301.04114

[14] 클리포드 W 퐁. "혈뇌 장벽의 투과성: 약물 및 생리학적으로 중요한 화합물 수송의 분자 메커니즘". 막 생물학 저널 248, 651–669 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00232-015-9778-9

[15] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz, Rolando D. Somma. “관측 가능 항목의 기대값에 대한 최적의 양자 측정”. 물리적 검토 A 75, 012328 (2007).
https : / /doi.org/10.1103/ physreva.75.012328

[16] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca 및 Alain Tapp. “양자 진폭 증폭 및 추정”. 현대 수학 305, 53–74 (2002).
https : / /doi.org/10.1090/conm/305/05215

[17] A. 유. Kitaev. "양자 측정 및 아벨 안정화 문제"(1995). arXiv:quant-ph/ 9511026.
arXiv : 퀀트 -PH / 9511026

[18] 데이비드 풀린(David Poulin)과 파웰 웍얀(Pawel Wocjan). “양자 컴퓨터에서 양자 다체 시스템의 지상 상태 준비”. 실제 검토 편지 102, 130503(2009).
https : / //doi.org/10.1103/ physrevlett.102.130503

[19] David Poulin, Alexei Kitaev, Damian S. Steiger, Matthew B. Hastings 및 Matthias Troyer. "더 적은 게이트 수로 스펙트럼 측정을 위한 양자 알고리즘". 물리. Lett 목사. 121, 010501(2018).
https : / /doi.org/10.1103/ PhysRevLett.121.010501

[20] 게이민(Yimin Ge), 조르디 투라(Jordi Tura), J. 이그나시오 시락(J. Ignacio Cirac). "더 적은 큐비트로 더 빠른 지상 상태 준비 및 고정밀 지상 에너지 추정". 수리 물리학 저널 60, 022202 (2019).
https : / /doi.org/ 10.1063 / 1.5027484

[21] Lin Lin과 Yu Tong. "최적에 가까운 지상 상태 준비". 퀀텀 4, 372(2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-12-14-372

[22] 루이지 장(Ruizhe Zhang), 왕 궈밍(Guoming Wang), 피터 존슨(Peter Johnson). “초기 내결함성 양자 컴퓨터를 이용한 지상 상태 속성 계산”. 양자 6, 761(2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-11-761

[23] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz, Rolando D. Somma. “관측 가능 항목의 기대값에 대한 최적의 양자 측정”. 물리. A 75, 012328(2007).
https : / /doi.org/10.1103/ PhysRevA.75.012328

[24] András Gilyén, Yuan Su, Guang Hao Low, Nathan Wiebe. “양자 특이값 변환 및 그 이상: 양자 행렬 산술의 기하급수적 개선”. 컴퓨팅 이론에 관한 제51회 연례 ACM SIGACT 심포지엄 진행 중. ACM (2019).

[25] 패트릭 랄. "블록 인코딩을 사용하여 물리량을 추정하기 위한 양자 알고리즘". 물리학 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 및 Ryan Babbush. “여러 기대값을 추정하기 위한 거의 최적의 양자 알고리즘”. 물리. Lett 목사. 129, 240501(2022).
https : / /doi.org/10.1103/ PhysRevLett.129.240501

[27] Arjan Cornelissen, Yassine Hamoudi, Sofiene Jerbi. “다변량 평균 추정을 위한 최적에 가까운 양자 알고리즘”. 컴퓨팅 이론에 관한 제54차 연례 ACM SIGACT 심포지엄 진행 중. 33~43페이지. STOC 2022미국 뉴욕주 뉴욕(2022). 컴퓨팅 기계 협회.
https : / /doi.org/ 10.1145 / 3519935.3520045

[28] Guang Hao Low와 Isaac L. Chuang. “양자 신호 처리에 의한 최적의 해밀턴 시뮬레이션”. 물리학 레트 목사 118, 010501(2017).
https : / /doi.org/10.1103/ PhysRevLett.118.010501

[29] 패트릭 랄. “위상, 에너지 및 진폭 추정을 위한 보다 빠른 일관성 양자 알고리즘”. 양자 5, 566(2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-10-19-566

[30] John M. Martyn, Zane M. Rossi, Andrew K. Tan 및 Isaac L. Chuang. “양자 알고리즘의 대통합”. PRX 퀀텀 2, 040203(2021).
https : / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040203

[31] Wim van Dam, G. Mauro D'Ariano, Artur Ekert, Chiara Macchiavello 및 Michele Mosca. “일반 위상 추정을 위한 최적의 양자 회로”. 물리. Lett 목사. 98, 090501(2007).
https : / /doi.org/10.1103/ PhysRevLett.98.090501

[32] 렌돈 구마로, 이즈부치 타쿠, 키쿠치 유타. “양자 위상 추정에 대한 코사인 테이퍼링 창의 효과”. 물리. D 106, 034503(2022).
https : / /doi.org/10.1103/PhysRevD.106.034503

[33] 미타라이 코스케, 도요이즈미 키이치로, 미즈카미 와타루. “양자 신호 처리를 이용한 섭동 이론”. 퀀텀 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 및 Ryan Babbush. “페르미온성 해밀토니안의 고유 상태를 준비하기 위한 향상된 기술”. npj 양자 정보 4, 22 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-018-0071-5

[35] Guang Hao Low와 Isaac L. Chuang. "Qubitization에 의한 Hamiltonian 시뮬레이션". 퀀텀 3, 163(2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-07-12-163

[36] Yulong Dong, Lin Lin 및 Yu Tong. "단일 행렬의 양자 고유값 변환을 통한 초기 내결함성 양자 컴퓨터의 기저 상태 준비 및 에너지 추정". PRX 퀀텀 3, 040305(2022).
https : / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.040305

[37] 얼 T 캠벨. "허바드 모델의 초기 내결함성 시뮬레이션". 양자 과학 및 기술 7, 015007(2021).
https : / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ac3110

[38] 리차드 클리브, 아르투르 에케르트, 키아라 마키아벨로, 미셸 모스카. “양자 알고리즘 재검토”. 런던 왕립학회의 회보. 시리즈 A: 수학, 물리 및 공학 과학 454, 339–354(1998).
https : / /doi.org/ 10.1098 / rspa.1998.0164

[39] 크레이그 기드니. “양자 추가 비용을 절반으로 줄입니다”. 양자 2, 74(2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-06-18-74

[40] Jiasu Wang, Yulong Dong, Lin Lin. “대칭형 양자 신호 처리의 에너지 환경에 대하여”. 양자 6, 850(2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-11-03-850

[41] 광하오 로우. “단일 큐비트 역학에 의한 양자 신호 처리”. 박사 논문. 매사추세츠 공과대학. (2017).

[42] Yulong Dong, Xiang Meng, K. Birgitta Whaley 및 Lin Lin. “양자 신호 처리의 효율적인 위상 인자 평가”. 실제 검토 A 103, 042419(2021).
https : / /doi.org/10.1103/ physreva.103.042419

[43] Yulong Dong, Lin Lin, Hongkang Ni 및 Jiasu Wang. “무한 양자 신호 처리”(2022). arXiv:2209.10162.
arXiv : 2209.10162

[44] 딥타르카 하이트(Diptarka Hait)와 마틴 헤드-고든(Martin Head-Gordon). “쌍극자 모멘트를 예측할 때 밀도 함수 이론은 얼마나 정확합니까? 200개 벤치마크 값의 새로운 데이터베이스를 사용한 평가”입니다. 화학 이론 및 계산 저널 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 및 Garnet Kin-Lic Chan. “PySCF 프로그램 패키지의 최근 개발”. 화학 물리학 저널 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 및 Garnet Kin-Lic Chan. "Pyscf: Python 기반 화학 프레임워크 시뮬레이션". WIREs 전산 분자 과학 8, e1340(2018).
https : / /doi.org/ 10.1002 / wcms.1340

[47] 환첸 자이(Huanchen Zhai)와 가넷 킨릭 찬(Garnet Kin-Lic Chan). "낮은 통신 고성능 ab initio 밀도 행렬 재정규화 그룹 알고리즘". J.Chem. 물리. 154, 224116(2021).
https : / /doi.org/ 10.1063 / 5.0050902

[48] 도미닉 마르크스와 유르그 후터. “원래 분자 역학: 이론 및 구현”. 양자 화학의 최신 방법 및 알고리즘 1, 141(2000).
https : / /doi.org/ 10.1017 / CBO9780511609633

[49] JC 슬레이터. “비리얼 및 분자 구조”. 화학 물리학 저널 1, 687–691 (1933).
https : / /doi.org/ 10.1063 / 1.1749227

[50] 제프리 콘, 마리오 모타, 로버트 M. 패리쉬. "압축된 이중 분해된 해밀토니안을 사용한 양자 필터 대각선화". PRX 퀀텀 2, 040352(2021).
https : / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040352

[51] Guang Hao Low, Vadym Kliuchnikov, Luke Schaeffer. "상태 준비 및 단일 합성에서 더티 큐비트에 대한 T-게이트 거래"(2018). arXiv:1812.00954.
arXiv : 1812.00954

인용

[1] Ignacio Loaiza 및 Artur F. Izmaylov, "블록 불변 대칭 이동: 단위체의 선형 조합으로 분해를 개선하기 위한 두 번째 양자화된 해밀턴을 위한 전처리 기술", 화학 이론 및 계산 저널 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 및 Fernando GSL Brandão, "양자 알고리즘: 애플리케이션 및 엔드투엔드 복잡성 조사", 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, Michael Streif, “결함” -대칭 적응 섭동 이론을 위한 관용 양자 알고리즘”, arXiv : 2305.07009, (2023).

[4] Sophia Simon, Raffaele Santagati, Matthias Degroote, Nikolaj Moll, Michael Streif 및 Nathan Wiebe, "결합된 양자 고전 역학 시뮬레이션을 위한 향상된 정밀 스케일링", arXiv : 2307.13033, (2023).

[5] Ignacio Loaiza 및 Artur F. Izmaylov, "블록 불변 대칭 이동: 단위체의 선형 조합으로 분해를 개선하기 위한 두 번째 양자화된 해밀턴을 위한 전처리 기술", arXiv : 2304.13772, (2023).

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