Fouttolerante kwantumberekening van moleculaire waarneembaarheden

Fouttolerante kwantumberekening van moleculaire waarneembaarheden

Tijdstempel: 6 november 2023 7:23 uur

Mark Steudtner1, Sam Morley-Short1, Willem Pol1, Sukin Sim1, Cristian L. Cortes2, Matthias Loipersberger2, Robert M. Parrish2, Matthias Degroote3, Nikolaj Moll3, Raffaele Santagati3 en Michaël Streif3

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

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

Abstract

In de afgelopen dertig jaar zijn de kosten voor het schatten van de grondtoestandenergieën van moleculaire Hamiltonianen met kwantumcomputers aanzienlijk verlaagd. Er is echter relatief weinig aandacht besteed aan het schatten van de verwachtingswaarden van andere waarneembare waarden met betrekking tot genoemde grondtoestanden, wat belangrijk is voor veel industriële toepassingen. In dit werk presenteren we een nieuw kwantumalgoritme voor verwachtingswaardeschatting (EVE) dat kan worden toegepast om de verwachtingswaarden van willekeurige waarneembare waarden te schatten met betrekking tot elk van de eigentoestanden van het systeem. In het bijzonder beschouwen we twee varianten van EVE: std-EVE, gebaseerd op standaard kwantumfaseschatting, en QSP-EVE, dat gebruik maakt van kwantumsignaalverwerkingstechnieken (QSP). We bieden een rigoureuze foutanalyse voor beide varianten en minimaliseren het aantal individuele fasefactoren voor QSPEVE. Deze foutanalyses stellen ons in staat om schattingen van kwantumbronnen met constante factoren te maken voor zowel std-EVE als QSP-EVE voor een verscheidenheid aan moleculaire systemen en waarneembare gegevens. Voor de beschouwde systemen laten we zien dat QSP-EVE het aantal (Toffoli)-poorten met maximaal drie ordes van grootte vermindert en de qubit-breedte met maximaal 25% vermindert in vergelijking met std-EVE. Hoewel het geschatte aantal hulpbronnen veel te hoog blijft voor de eerste generaties fouttolerante kwantumcomputers, zijn onze schattingen een primeur in hun soort voor zowel de toepassing van schatting van de verwachtingswaarde als moderne op QSP gebaseerde technieken.

Fouttolerante kwantumberekening van moleculaire waarneembaarheid PlatoBlockchain Data Intelligence. Verticaal zoeken. Ai.

► BibTeX-gegevens

► Referenties

[1] David Poulin, Matthew B. Hastings, Dave Wecker, Nathan Wiebe, Andrew C. Doberty en Matthias Troyer. "De stapgrootte van de draver die nodig is voor nauwkeurige kwantumsimulatie van de kwantumchemie". Kwantuminformatie. Computer. 15, 361-384 (2015).
https: / / doi.org/ 10.5555 / 2871401.2871402

[2] Markus Reiher, Nathan Wiebe, Krysta M. Svore, Dave Wecker en Matthias Troyer. "Het ophelderen van reactiemechanismen op kwantumcomputers". Proceedings van de 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 en Hartmut Neven. ‘Elektronische spectra coderen in kwantumcircuits met lineaire T-complexiteit’. Fysieke beoordeling X 8, 041015 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[4] Dominic W. Berry, Craig Gidney, Mario Motta, Jarrod R. McClean en Ryan Babbush. "Qubitisatie van kwantumchemie op willekeurige basis, waarbij gebruik wordt gemaakt van spaarzaamheid en factorisatie van lage rang". Kwantum 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 en Ryan Babbush. "Nog efficiëntere kwantumberekeningen van chemie door tensorhypercontractie". PRX Quantum 2, 030305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030305

[6] Yuan Su, Dominic W. Berry, Nathan Wiebe, Nicholas Rubin en Ryan Babbush. "Fouttolerante kwantumsimulaties van chemie in eerste kwantisering". 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 en Eunseok Lee. "Fouttolerante schatting van hulpbronnen voor kwantumchemische simulaties: casestudy over elektrolytmoleculen uit li-ionbatterijen". Fys. Rev. Onderzoek 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 en Juan Miguel Arrazola. "Simulatie van de belangrijkste eigenschappen van lithium-ionbatterijen met een fouttolerante kwantumcomputer". Fys. 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 en Matthias Troyer. "Quantum computing verbeterde computationele katalyse". Fys. Rev. 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 en Nicholas C. Rubin. “Betrouwbaar beoordelen van de elektronische structuur van cytochroom p450 op de klassieke computers van vandaag en de kwantumcomputers van morgen”. Proceedings of the 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, et al. "Efficiënte kwantumberekening van moleculaire krachten en andere energiegradiënten". Fys. Rev. Res. 4, 043210 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.043210

[12] Christopher J. Cramer. “Essentials van computationele chemie: theorieën en modellen”. John Wiley & Zonen. (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, en Clemens Utschig-Utschig. “Geneesmiddelenontwerp op kwantumcomputers” (2023). arXiv:2301.04114.
arXiv: 2301.04114

[14] Clifford W Fong. ‘Permeabiliteit van de bloed-hersenbarrière: moleculair transportmechanisme van medicijnen en fysiologisch belangrijke verbindingen’. The Journal of membraanbiologie 248, 651–669 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00232-015-9778-9

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

[16] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca en Alain Tapp. "Kwantumamplitudeversterking en schatting". Hedendaagse Wiskunde 305, 53-74 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1090 / conm / 305 / 05215

[17] A. Yu. Kitajev. "Kwantummetingen en het probleem van de Abelse stabilisator" (1995). arXiv:quant-ph/​9511026.
arXiv: quant-ph / 9511026

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

[19] David Poulin, Alexei Kitaev, Damian S. Steiger, Matthew B. Hastings en Matthias Troyer. "Kwantumalgoritme voor spectrale metingen met een lager aantal poorten". Fys. Ds. Lett. 121, 010501 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.010501

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

[21] 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

[22] Ruizhe Zhang, Guoming Wang en Peter Johnson. "Computing Ground State Properties met vroege fouttolerante kwantumcomputers". Kwantum 6, 761 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-11-761

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

[24] András Gilyén, Yuan Su, Guang Hao Low en Nathan Wiebe. "Kwantumtransformatie van singuliere waarden en verder: exponentiële verbeteringen voor kwantummatrixberekeningen". In Proceedings van het 51e jaarlijkse ACM SIGACT-symposium over computertheorie. ACM (2019).

[25] Patrick Raall. "Kwantumalgoritmen voor het schatten van fysieke grootheden met behulp van blokcoderingen". Fysiek. 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 en Ryan Babbush. "Bijna optimaal kwantumalgoritme voor het schatten van meerdere verwachtingswaarden". Fys. Ds. Lett. 129, 240501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.240501

[27] Arjan Cornelissen, Yassine Hamoudi en Sofiene Jerbi. "Bijna optimale kwantumalgoritmen voor multivariate gemiddelde schatting". In Proceedings van het 54e jaarlijkse ACM SIGACT-symposium over computertheorie. Pagina 33–43. STOC 2022New York, NY, VS (2022). Vereniging voor computermachines.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3520045

[28] Guang Hao Low en Isaac L. Chuang. "Optimale Hamiltoniaanse simulatie door kwantumsignaalverwerking". Fysiek. Eerwaarde Lett. 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501

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

[30] John M. Martyn, Zane M. Rossi, Andrew K. Tan en Isaac L. Chuang. "Grote unificatie van kwantumalgoritmen". 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 en Michele Mosca. ‘Optimale kwantumcircuits voor algemene faseschatting’. Fys. Ds. Lett. 98, 090501 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.090501

[32] Gumaro Rendon, Taku Izubuchi en Yuta Kikuchi. ‘Effecten van het cosinus-taperingsvenster op de schatting van de kwantumfase’. Fys. D106, 034503 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.106.034503

[33] Kosuke Mitarai, Kiichiro Toyoizumi en Wataru Mizukami. “Verstoringstheorie met kwantumsignaalverwerking”. Kwantum 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 en Ryan Babbush. "Verbeterde technieken voor het voorbereiden van eigentoestanden van fermionische Hamiltonianen". npj Quantuminformatie 4, 22 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-018-0071-5

[35] 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

[36] Yulong Dong, Lin Lin en Yu Tong. "Grondtoestandvoorbereiding en energieschatting op vroege fouttolerante kwantumcomputers via kwantumeigenwaardetransformatie van unitaire matrices". PRX Quantum 3, 040305 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.040305

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

[38] Richard Cleve, Artur Ekert, Chiara Macchiavello en Michele Mosca. "Kwantumalgoritmen opnieuw bekeken". Proceedings van de Royal Society of London. Serie A: Wiskundige, natuurkundige en technische wetenschappen 454, 339–354 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.1998.0164

[39] Craig Gidney. "De kosten van kwantumtoevoeging halveren". Kwantum 2, 74 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-06-18-74

[40] Jiasu Wang, Yulong Dong en Lin Lin. “Over het energielandschap van symmetrische kwantumsignaalverwerking”. Kwantum 6, 850 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-11-03-850

[41] Guang Hao Laag. "Kwantumsignaalverwerking door single-qubit-dynamiek". Proefschrift. Massachusetts Institute of Technology. (2017).

[42] Yulong Dong, Xiang Meng, K. Birgitta Whaley en Lin Lin. "Efficiënte fasefactorevaluatie bij kwantumsignaalverwerking". Fysieke beoordeling A 103, 042419 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.103.042419

[43] Yulong Dong, Lin Lin, Hongkang Ni en Jiasu Wang. “Oneindige kwantumsignaalverwerking” (2022). arXiv:2209.10162.
arXiv: 2209.10162

[44] Diptarka Hait en Martin Head-Gordon. “Hoe nauwkeurig is de dichtheidsfunctionaaltheorie bij het voorspellen van dipoolmomenten? Een beoordeling met behulp van een nieuwe database met 200 benchmarkwaarden”. Journal of Chemical Theory and Computation 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 en Garnet Kin-Lic Chan. "Recente ontwikkelingen in het PySCF-programmapakket". Het Journal of Chemical Physics 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 en Garnet Kin-Lic Chan. "Pyscf: de op Python gebaseerde simulaties van een scheikundig raamwerk". WIRE's Computationele Moleculaire Wetenschap 8, e1340 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1002 / wcms.1340

[47] Huanchen Zhai en Garnet Kin-Lic Chan. "Lage communicatie, hoge prestaties, ab initio dichtheidsmatrix-renormalisatiegroepalgoritmen". J. Chem. Fys. 154, 224116 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0050902

[48] Dominik Marx en Jurg Hutter. "Ab initio moleculaire dynamica: theorie en implementatie". Moderne methoden en algoritmen van de kwantumchemie 1, 141 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511609633

[49] JC Slater. "De virale en moleculaire structuur". Het Journal of Chemical Physics 1, 687-691 (1933).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1749227

[50] Jeffrey Cohn, Mario Motta en Robert M. Parrish. "Kwantumfilterdiagonalisatie met gecomprimeerde Hamiltonianen met dubbele factor". PRX Quantum 2, 040352 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040352

[51] Guang Hao Low, Vadym Kliuchnikov en Luke Schaeffer. “T-poorten ruilen voor vuile qubits bij staatsvoorbereiding en unitaire synthese” (2018). arXiv:1812.00954.
arXiv: 1812.00954

Geciteerd door

[1] Ignacio Loaiza en Artur F. Izmaylov, "Blok-invariante symmetrieverschuiving: voorverwerkingstechniek voor tweede-gekwantiseerde Hamiltonianen om hun ontbindingen te verbeteren tot lineaire combinatie van unitairen", Journal of Chemische Theorie en Computatie 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 en Fernando GSL Brandão, “Kwantumalgoritmen: een overzicht van applicaties en end-to-end complexiteiten”, 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 en Michael Streif, “Fout -tolerant kwantumalgoritme voor aan symmetrie aangepaste verstoringstheorie”, arXiv: 2305.07009, (2023).

[4] Sophia Simon, Raffaele Santagati, Matthias Degroote, Nikolaj Moll, Michael Streif en Nathan Wiebe, "Verbeterde precisieschaling voor het simuleren van gekoppelde kwantumklassieke dynamiek", arXiv: 2307.13033, (2023).

[5] Ignacio Loaiza en Artur F. Izmaylov, "Block-Invariant Symmetry Shift: Preprocessing-techniek voor tweede-gekwantiseerde Hamiltonianen om hun decomposities te verbeteren tot lineaire combinatie van unitairen", arXiv: 2304.13772, (2023).

Bovenstaande citaten zijn afkomstig van De door Crossref geciteerde service (laatst bijgewerkt met succes 2023-11-13 12:50:11) en SAO / NASA ADS (laatst bijgewerkt met succes 2023-11-13 12:50:12). 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.

Tijdstempel:

Meer van Quantum Journaal