Grondtoestandseigenschappen berekenen met vroege fouttolerante kwantumcomputers

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Ruizhe Zhang¹, Guoming Wang², en Peter Johnson²

¹Afdeling Computerwetenschappen, de Universiteit van Texas in Austin, Austin, TX 78712, VS.
²Zapata Computing Inc., Boston, MA 02110, VS.

Vind je dit artikel interessant of wil je het bespreken? Scite of laat een reactie achter op SciRate.

Abstract

Aanzienlijke inspanningen op het gebied van toegepaste kwantumcomputers zijn gewijd aan het probleem van de schatting van grondtoestandsenergie voor moleculen en materialen. Toch moeten voor veel toepassingen van praktische waarde aanvullende eigenschappen van de grondtoestand worden geschat. Deze omvatten de functies van Green die worden gebruikt om elektronentransport in materialen te berekenen en de uit één deeltje bestaande matrices met verminderde dichtheid die worden gebruikt om elektrische dipolen van moleculen te berekenen. In dit artikel stellen we een kwantumklassiek hybride algoritme voor om dergelijke grondtoestandseigenschappen efficiënt en met hoge nauwkeurigheid te schatten met behulp van kwantumcircuits met een lage diepte. We bieden een analyse van verschillende kosten (circuitherhalingen, maximale evolutietijd en verwachte totale looptijd) als een functie van doelnauwkeurigheid, spectrale opening en initiële overlapping van de grondtoestand. Dit algoritme suggereert een concrete benadering voor het gebruik van vroege fouttolerante kwantumcomputers voor het uitvoeren van industrierelevante moleculaire en materiaalberekeningen.

Populaire samenvatting

Voorheen was er geen bekende manier om een quantumcomputer op korte termijn te gebruiken om op betrouwbare wijze veel bruikbare eigenschappen van quantummaterialen of moleculen te berekenen. Bestaande methoden waren niet betrouwbaar of niet mogelijk met een quantumcomputer op korte termijn. Dit artikel stelt een betrouwbare, kortetermijnmethode voor voor het berekenen van nuttige eigenschappen die verder gaan dan alleen de grondtoestandsenergie van een Hamiltoniaan. Belangrijke toepassingen van dit werk zijn het ontwerpen van materialen en moleculen en het oplossen van lineaire vergelijkingsstelsels.

► BibTeX-gegevens

@article{Zhang2022computingground, doi = {10.22331/q-2022-07-11-761}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2022-07-11-761}, title = {Computing {G}ronde {S}tate {P}eigenschappen met {E}arly {F}ault-{T}olerant {Q}uantum {C}computers}, auteur = {Zhang, Ruizhe en Wang, Guoming en Johnson, Peter}, journaal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, uitgever = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in de Quantenwissenschaften}}, volume = {6}, pagina's = {761}, maand = juli, jaar = {2022} }

► Referenties

[1] Yudong Cao, Jhonathan Romero en Alan Aspuru-Guzik. "Potentieel van quantum computing voor het ontdekken van medicijnen". IBM Journal of Research and Development 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, et al. "Kwantumchemie in het tijdperk van kwantumcomputers". Chemische beoordelingen 119, 10856-10915 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.8b00803

[3] Alan Aspuru-Guzik, Anthony D Dutoi, Peter J Love en Martin Head-Gordon. "Gesimuleerde kwantumberekening van moleculaire energieën". Wetenschap 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, Alan Aspuru-Guzik en Jeremy L O'brien. "Een variatie-eigenwaarde-oplosser op een fotonische kwantumprocessor". Natuurcommunicatie 5, 1-7 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[5] Yigal Meir en Ned S Wingreen. "Landauer-formule voor de stroom door een interactief elektronengebied". Fysieke overzichtsbrieven 68, 2512 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.2512

[6] Frank Jensen. "Inleiding tot computationele chemie". John Wiley & zonen. (2017).

[7] Thomas E O'Brien, Bruno Senjean, Ramiro Sagastizabal, Xavier Bonet-Monroig, Alicja Dutkiewicz, Francesco Buda, Leonardo DiCarlo en Lucas Visscher. "Het berekenen van energiederivaten voor kwantumchemie op een kwantumcomputer". npj Quantum Informatie 5, 1-12 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0213-4

[8] Andris Ambainis. "Over lichamelijke problemen die iets moeilijker zijn dan qma". In 2014 IEEE 29e Conferentie over Computational Complexity (CCC). Pagina's 32-43. (2014).
https: / / doi.org/ 10.1109 / CCC.2014.12

[9] Sevag Gharibian en Justin Yirka. "De complexiteit van het simuleren van lokale metingen op kwantumsystemen". Kwantum 3, 189 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-09-30-189

[10] Sevag Gharibian, Stephen Piddock en Justin Yirka. "Oracle Complexiteitsklassen en lokale metingen op fysieke Hamiltonians". In Christophe Paul en Markus Bläser, redacteuren, 37th International Symposium on Theoretical Aspects of Computer Science (STACS 2020). Deel 154 van Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs), pagina's 20:1–20:37. Dagstuhl, Duitsland (2020). Schloss Dagstuhl-Leibniz-Zentrum für Informatik.
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.STACS.2020.20

[11] David Poulin en Pawel Wocjan. "Het voorbereiden van grondtoestanden van kwantum veel-lichaamssystemen op een kwantumcomputer". Fysieke beoordelingsbrieven 102, 130503 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.130503

[12] Yimin Ge, Jordi Tura en J Ignacio Cirac. "Sneller voorbereiding van de grondtoestand en zeer nauwkeurige schatting van de grondenergie met minder qubits". Journal of Mathematical Physics 60, 022202 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5027484

[13] Lin Lin en Yu Tong. "Bijna optimale voorbereiding van de grondtoestand". Kwantum 4, 372 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-14-372

[14] Sam McArdle, Alexander Mayorov, Xiao Shan, Simon Benjamin en Xiao Yuan. "Digitale kwantumsimulatie van moleculaire trillingen". Chemische wetenschap 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 en Jhonathan Romero. "Uitdagingen identificeren voor praktisch kwantumvoordeel door middel van schatting van middelen: de wegversperring voor metingen in de variatiekwantum-eigensolver" (2020). arXiv:2012.04001.
arXiv: 2012.04001

[16] Guoming Wang, Dax Enshan Koh, Peter D Johnson en Yudong Cao. "Het minimaliseren van schattingsruntime op lawaaierige kwantumcomputers". 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 en Hartmut Neven. "Focus verder dan kwadratische versnellingen voor foutgecorrigeerd kwantumvoordeel". PRX Quantum 2, 010103 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010103

[18] Kyle EC Booth, Bryan O'Gorman, Jeffrey Marshall, Stuart Hadfield en Eleanor Rieffel. "Quantum-versnelde beperkingsprogrammering". Kwantum 5, 550 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-09-28-550

[19] Earl T Campbell. "Vroege fouttolerante simulaties van het Hubbard-model". Kwantumwetenschap en technologie 7, 015007 (2021).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/ac3110

[20] Lin Lin en Yu Tong. "Heisenberg-beperkte schatting van de grondtoestand voor vroege fouttolerante kwantumcomputers". PRX Quantum 3, 010318 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010318

[21] David Layden. "Eerste-orde draverfout vanuit een tweede-ordeperspectief". Fys. ds. Lett. 128, 210501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.210501

[22] Rolando D Somma. "Quantum eigenwaarde schatting via tijdreeksanalyse". New Journal of Physics 21, 123025 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab5c60

[23] Laura Clinton, Johannes Bausch, Joel Klassen en Toby Cubitt. "Faseschatting van lokale hamiltonians op nisq-hardware" (2021). arXiv:2110.13584.
arXiv: 2110.13584

[24] Patrick Rall. "Sneller coherente kwantumalgoritmen voor fase-, energie- en amplitudeschatting". Kwantum 5, 566 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-10-19-566

[25] Dominic W Berry, Andrew M Childs, Richard Cleve, Robin Kothari en Rolando D Somma. "Het simuleren van Hamiltoniaanse dynamiek met een afgeknotte taylor-reeks". Fysieke beoordelingsbrieven 114, 090502 (2015). url: doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.090502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.090502

[26] Guang Hao Low en Isaac L Chuang. "Optimale Hamilton-simulatie door kwantumsignaalverwerking". Fysieke beoordelingsbrieven 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501

[27] Andrew M Childs, Dmitri Maslov, Yunseong Nam, Neil J Ross en Yuan Su. "Op weg naar de eerste kwantumsimulatie met kwantumversnelling". Proceedings van de National Academy of Sciences 115, 9456-9461 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1801723115

[28] Guang Hao Low en Isaac L Chuang. "Hamiltoniaanse simulatie door qubitization". Kwantum 3, 163 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-12-163

[29] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz en Rolando D Somma. "Optimale kwantummetingen van verwachtingswaarden van waarneembare". Fysieke beoordeling A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328

[30] James D. Watson, Johannes Bausch en Sevag Gharibian. "De complexiteit van translationeel invariante problemen voorbij grondtoestandsenergieën" (2020). arXiv:2012.12717.
arXiv: 2012.12717

[31] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J Love, Alan Aspuru-Guzik en Jeremy L O'brien. "Een variatie-eigenwaarde-oplosser op een fotonische kwantumprocessor". Natuurcommunicatie 5, 1-7 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[32] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush en Alan Aspuru-Guzik. "De theorie van variatiehybride kwantum-klassieke algoritmen". New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/2/023023

[33] Attila Szabo en Neil S Ostlund. "Moderne kwantumchemie: inleiding tot geavanceerde elektronische structuurtheorie". Koeriers Maatschappij. (2012).

[34] Sevag Gharibian en François Le Gall. "Dekwantisering van de kwantum-singuliere waardetransformatie: hardheid en toepassingen voor kwantumchemie en het vermoeden van kwantum-pcp". In Proceedings of the 54th Annual ACM SIGACT Symposium on Theory of Computing. Pagina's 19-32. (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3519991

[35] Shantanav Chakraborty, András Gilyén en Stacey Jeffery. "De kracht van blokgecodeerde matrixkrachten: verbeterde regressietechnieken via snellere Hamiltoniaanse simulatie". In Christel Baier, Ioannis Chatzigiannakis, Paola Flocchini en Stefano Leonardi, redacteuren, 46e International Colloquium on Automata, Languages, and Programming (ICALP 2019). Deel 132 van Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs), pagina's 33:1–33:14. Dagstuhl, Duitsland (2019). Schloss Dagstuhl-Leibniz-Zentrum fuer Informatik.
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.ICALP.2019.33

[36] András Gilyén, Yuan Su, Guang Hao Low en Nathan Wiebe. "Quantum singuliere waardetransformatie en verder: exponentiële verbeteringen voor kwantummatrixberekeningen". In Proceedings of the 51st Annual ACM SIGACT Symposium on Theory of Computing. Pagina's 193-204. (2019).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3313276.3316366

[37] Patrick Rall. "Kwantumalgoritmen voor het schatten van fysieke hoeveelheden met behulp van blokcoderingen". Fysieke beoordeling A 102, 022408 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.022408

[38] Yu Tong, Dong An, Nathan Wiebe en Lin Lin. "Snelle inversie, gepreconditioneerde quantum lineaire systeemoplossers, snelle green's-functieberekening en snelle evaluatie van matrixfuncties". Fysieke beoordeling 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 en Jeannette M Garcia. "Kwantumberekening van dominante producten in lithium-zwavelbatterijen". The Journal of Chemical Physics 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068

[40] Trygve Helgaker, Poul Jorgensen en Jeppe Olsen. "Moleculaire elektronische structuurtheorie". John Wiley & zonen. (2014).
https: / / doi.org/ 10.1002 / 9781119019572

[41] Jacob T Seeley, Martin J Richard en Peter J Love. "De bravyi-kitaev-transformatie voor kwantumberekening van elektronische structuur". The Journal of chemische fysica 137, 224109 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4768229

[42] Aram W Harrow, Avinatan Hassidim en Seth Lloyd. "Quantum-algoritme voor lineaire stelsels van vergelijkingen". Fysieke beoordelingsbrieven 103, 150502 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502

[43] Andrew M Childs, Robin Kothari en Rolando D Somma. "Kwantumalgoritme voor stelsels van lineaire vergelijkingen met exponentieel verbeterde afhankelijkheid van precisie". SIAM Journal on Computing 46, 1920-1950 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 16M1087072

[44] Carlos Bravo-Prieto, Ryan LaRose, M. Cerezo, Yigit Subasi, Lukasz Cincio en Patrick J. Coles. "Variationele kwantum lineaire oplosser" (2019). arXiv:1909.05820.
arXiv: 1909.05820

[45] Hsin-Yuan Huang, Kishor Bharti en Patrick Rebentrost. "Near-term kwantumalgoritmen voor lineaire stelsels van vergelijkingen met regressieverliesfuncties". New Journal of Physics 23, 113021 (2021).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/ac325f

[46] Yiğit Subaşı, Rolando D Somma en Davide Orsucci. "Kwantumalgoritmen voor systemen van lineaire vergelijkingen geïnspireerd door adiabatische kwantumcomputers". Fysieke beoordelingsbrieven 122, 060504 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.060504

[47] Dong An en Lin Lin. "Quantum lineaire systeemoplosser op basis van tijdoptimale adiabatische kwantumcomputing en kwantumbenaderingsoptimalisatie-algoritme". ACM Transacties op Quantum Computing 3 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3498331

[48] Lin Lin en Yu Tong. "Optimale op polynoom gebaseerde filtering van kwantumeigentoestanden met toepassing op het oplossen van lineaire kwantumsystemen". Kwantum 4, 361 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-11-11-361

[49] Rolando D Somma en Sergio Boixo. "Versterking van de spectrale kloof". SIAM Journal on Computing 42, 593-610 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 120871997

[50] Yosi Atia en Dorit Aharonov. "Fast-forwarding van Hamiltonians en exponentieel nauwkeurige metingen". Natuurcommunicatie 8, 1-9 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41467-017-01637-7

[51] Brielin Brown, Steven T Flammia en Norbert Schuch. "Computational moeilijkheid van het berekenen van de dichtheid van staten". Fysieke beoordelingsbrieven 107, 040501 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.040501

[52] Stephen P Jordan, David Gosset en Peter J Love. "Quantum-merlin-arthur-complete problemen voor stoquastische hamiltonians en markov-matrices". Fysieke beoordeling A 81, 032331 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.032331

[53] Sevag Gharibian en Jamie Sikora. "Ground state connectiviteit van lokale Hamiltonians". ACM Trans. Berekenen. Theorie 10 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3186587

[54] James D. Watson en Johannes Bausch. "De complexiteit van het benaderen van kritieke punten van kwantumfaseovergangen" (2021). arXiv:2105.13350.
arXiv: 2105.13350

Geciteerd door

[1] Pablo AM Casares, Roberto Campos en MA Martin-Delgado, "TFermion: A non-Clifford gate cost assessment library of quantum phase estimation algorithms for quantum chemistry", Kwantum 6, 768 (2022).

[2] Yu Tong, "Ontwerpen van algoritmen voor het schatten van grondtoestandseigenschappen op vroege fouttolerante kwantumcomputers", Quantum views 6, 65 (2022).

[3] Yulong Dong, Lin Lin en Yu Tong, "Voorbereiding van de grondtoestand en energieschatting op vroege fouttolerante kwantumcomputers via kwantumeigenwaardetransformatie van unitaire matrices", arXiv: 2204.05955.

[4] Peter D. Johnson, Alexander A. Kunitsa, Jérôme F. Gonthier, Maxwell D. Radin, Corneliu Buda, Eric J. Doskocil, Clena M. Abuan en Jhonathan Romero, “Het verminderen van de kosten van energieschatting in de variatie quantum eigensolver-algoritme met robuuste amplitudeschatting”, arXiv: 2203.07275.

[5] Guoming Wang, Sukin Sim en Peter D. Johnson, "Staatvoorbereidingsboosters voor vroege fouttolerante kwantumberekening", arXiv: 2202.06978.

Bovenstaande citaten zijn afkomstig van De door Crossref geciteerde service (laatst bijgewerkt met succes 2022-07-28 15:34:04) en SAO / NASA ADS (laatst bijgewerkt met succes 2022-07-28 15:34:05). De lijst is mogelijk onvolledig omdat niet alle uitgevers geschikte en volledige citatiegegevens verstrekken.

Dit artikel is gepubliceerd in Quantum onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationaal (CC BY 4.0) licentie. Het auteursrecht blijft berusten bij de oorspronkelijke houders van auteursrechten, zoals de auteurs of hun instellingen.