Meetoptimalisatie van variatiekwantumsimulatie door klassieke schaduw- en derandomisatie

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Kouhei Nakaji^1,4, Suguru Endo², Yuichiro Matsuzaki¹en Hideaki Hakoshima³

¹Device Technology Research Institute, Nationaal Instituut voor Geavanceerde Industriële Wetenschappen en Technologie (AIST), 1-1-1 Umezono, Tsukuba, Ibaraki 305-8568, Japan.
²NTT Computer- en Data Science-laboratoria, NTT Corporation, Musashino, Tokyo 180-8585, Japan
³Centrum voor kwantuminformatie en kwantumbiologie, Osaka University, 1-2 Machikaneyama, Toyonaka, Osaka 560-0043, Japan.
⁴Huidig adres: Afdeling Computerwetenschappen, Universiteit van Toronto, Toronto, Ontario, Canada

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

Abstract

Het simuleren van grote kwantumsystemen is het ultieme doel van kwantumcomputing. Variationele kwantumsimulatie (VQS) geeft ons een hulpmiddel om het doel te bereiken in apparaten voor de korte termijn door de rekenlast te verdelen over zowel klassieke als kwantumcomputers. Naarmate de omvang van het kwantumsysteem echter groot wordt, wordt de uitvoering van VQS steeds uitdagender. Eén van de grootste uitdagingen is de drastische toename van het aantal metingen; Zo heeft het aantal metingen de neiging toe te nemen met de vierde macht van het aantal qubits in een kwantumsimulatie met een chemische Hamiltoniaan. Dit werk heeft tot doel het aantal metingen in VQS dramatisch te verminderen door recent voorgestelde op schaduw gebaseerde strategieën zoals klassieke schaduw en derandomisatie. Hoewel eerdere literatuur aantoont dat op schaduw gebaseerde strategieën met succes metingen in de variatiekwantumoptimalisatie (VQO) optimaliseren, was het onduidelijk hoe ze op VQS moesten worden toegepast vanwege de kloof tussen VQO en VQS bij het meten van waarneembare waarden. In dit artikel overbruggen we de kloof door de manier te veranderen waarop waarneembare waarden in VQS worden gemeten en stellen we een algoritme voor om metingen in VQS te optimaliseren met behulp van schaduwgebaseerde strategieën. Onze theoretische analyse onthult niet alleen het voordeel van het gebruik van ons algoritme in VQS, maar ondersteunt theoretisch het gebruik van op schaduw gebaseerde strategieën in VQO, waarvan het voordeel alleen numeriek is weergegeven. Bovendien toont ons numeriek experiment de validiteit aan van het gebruik van ons algoritme met een kwantumchemisch systeem.

Meetoptimalisatie van variatiekwantumsimulatie door klassieke schaduw en derandomisatie PlatoBlockchain Data Intelligence. Verticaal zoeken. Ai.

Uitgelichte afbeelding: De evolutie van de ontrouw als gevolg van de schotruis voor elke meetstrategie: de conventionele meetstrategie (naïef), klassieke schaduw, eerste graadsgroepering van de hoogste graad (ldf-groepering) en derandomisatie. De linkerfiguur is het resultaat van de real-time evolutie met het ${rm H}_2$-molecuul Hamiltoniaan. De rechter figuur is het resultaat van de evolutie in denkbeeldige tijd met het ${rm LiH}$-molecuul Hamiltoniaan.

Populaire samenvatting

Het simuleren van grote kwantumsystemen is het ultieme doel van kwantumcomputing. Variationele Quantum Simulatie (VQS) is een veelbelovend kwantumalgoritme om kwantumsimulatie in de kwantumcomputer van de korte termijn te realiseren. Het uitvoeren van VQS wordt echter steeds uitdagender naarmate het kwantumsysteem groter wordt, waarbij een van de grootste uitdagingen de aanzienlijke toename van het aantal vereiste metingen is. Om dit probleem aan te pakken, hebben we een algoritme voorgesteld om metingen in VQS te optimaliseren met behulp van meetoptimalisatietechnieken zoals klassieke schaduw en derandomisatie door de manier te veranderen waarop waarneembare waarden in VQS worden gemeten. We hebben de validiteit van het algoritme aangetoond met behulp van numerieke experimenten met kwantumchemische systemen. Bovendien hebben we theoretisch het voordeel onthuld van het gebruik van op schaduw gebaseerde strategieën, zoals klassieke schaduw en derandomisatie, niet alleen in VQS maar ook in Variational Quantum Optimization (VQO). Deze studie heeft belangrijke implicaties voor de optimalisatie van metingen in algemene variatiekwantumalgoritmen.

► BibTeX-gegevens

@article{Nakaji2023measurement, doi = {10.22331/q-2023-05-04-995}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-05-04-995}, title = {Metingoptimalisatie van variatiekwantumsimulatie door klassieke schaduw en derandomisatie}, auteur = {Nakaji, Kouhei en Endo, Suguru en Matsuzaki, Yuichiro en Hakoshima, Hideaki}, tijdschrift = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, uitgever = { {Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volume = {7}, pagina's = {995}, maand = mei, jaar = {2023} }

► Referenties

[1] John Prekill. "Quantum computing in het NISQ-tijdperk en daarna". Kwantum 2, 79 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-08-06-79

[2] Suguru Endo, Zhenyu Cai, Simon C Benjamin en Xiao Yuan. “Hybride kwantum-klassieke algoritmen en beperking van kwantumfouten”. Tijdschrift van de Physical Society of Japan 90, 032001 (2021).
https: / / doi.org/ 10.7566 / JPSJ.90.032001

[3] Marco Cerezo, Andrew Arrasmith, Ryan Babbush, Simon C Benjamin, Suguru Endo, Keisuke Fujii, Jarrod R McClean, Kosuke Mitarai, Xiao Yuan, Lukasz Cincio, et al. "Variationele kwantumalgoritmen". Natuurrecensies Natuurkunde 3, 625–644 (2021).
https://doi.org/10.1038/s42254-021-00348-9

[4] Edward Farhi, Jeffrey Goldstone en Sam Gutmann. "Een kwantumbenaderend optimalisatie-algoritme" (2014). arXiv:1411.4028.
arXiv: 1411.4028

[5] 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

[6] Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takita, Markus Brink, Jerry Chow en Jay Gambetta. ‘Hardware-efficiënte variatiekwantum-eigensolver voor kleine moleculen en kwantummagneten’. Natuur 549, 242–246 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23879

[7] Nikolaj Moll, Panagiotis Barkoutsos, Lev S Bishop, Jerry M Chow, Andrew Cross, Daniel J Egger, Stefan Filipp, Andreas Fuhrer, Jay M Gambetta, Marc Ganzhorn, et al. "Kwantumoptimalisatie met behulp van variatie-algoritmen op kwantumapparaten op korte termijn". Kwantumwetenschap en -technologie 3, 030503 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / aab822

[8] 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

[9] Ying Li en Simon C Benjamin. "Efficiënte variatiekwantumsimulator met actieve foutminimalisatie". Fysieke beoordeling X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[10] Kosuke Mitarai, Makoto Negoro, Masahiro Kitagawa en Keisuke Fujii. "Kwantumcircuit leren". Fysieke beoordeling A 98, 032309 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.032309

[11] Raphael Kaubruegger, Pietro Silvi, Christian Kokail, Rick van Bijnen, Ana Maria Rey, Jun Ye, Adam M Kaufman en Peter Zoller. "Variationele spin-squeezing-algoritmen op programmeerbare kwantumsensoren". Fysieke beoordelingsbrieven 123, 260505 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.260505

[12] Bálint Koczor, Suguru Endo, Tyson Jones, Yuichiro Matsuzaki en Simon C Benjamin. "Kwantummetrologie in variabele toestand". Nieuw Journal of Physics 22, 083038 (2020).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/ab965e

[13] Sam McArdle, Tyson Jones, Suguru Endo, Ying Li, Simon C Benjamin en Xiao Yuan. "Variationele op ansatz gebaseerde kwantumsimulatie van denkbeeldige tijdevolutie". npj Quantuminformatie 5, 1–6 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0187-2

[14] Xiao Yuan, Suguru Endo, Qi Zhao, Ying Li en Simon C Benjamin. "Theorie van variatiekwantumsimulatie". Kwantum 3, 191 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-10-07-191

[15] AD McLachlan. "Een variatieoplossing van de tijdsafhankelijke Schrödingervergelijking". Moleculaire Fysica 8, 39-44 (1964).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00268976400100041

[16] Vladyslav Verteletskyi, Tzu-Ching Yen en Artur F Izmaylov. "Meetoptimalisatie in de variatiekwantum-eigensolver met behulp van een minimale kliekdekking". The Journal of chemische fysica 152, 124114 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5141458

[17] Hsin-Yuan Huang, Richard Kueng en John Preskill. "Veel eigenschappen van een kwantumsysteem voorspellen uit zeer weinig metingen". Natuurfysica 16, 1050-1057 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41567-020-0932-7

[18] Charles Hadfield, Sergey Bravyi, Rudy Raymond en Antonio Mezzacapo. "Metingen van kwantum Hamiltonianen met lokaal bevooroordeelde klassieke schaduwen". Communicatie in wiskundige natuurkunde 391, 951-967 (2022).
https://doi.org/10.1007/s00220-022-04343-8

[19] Hsin-Yuan Huang, Richard Kueng en John Preskill. "Efficiënte schatting van Pauli-waarneembare gegevens door derandomisatie". Fysieke beoordelingsbrieven 127, 030503 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.030503

[20] Stefan Hillmich, Charles Hadfield, Rudy Raymond, Antonio Mezzacapo en Robert Wille. “Beslissingsdiagrammen voor kwantummetingen met ondiepe circuits”. In 2021 IEEE Internationale Conferentie over Quantum Computing and Engineering (QCE). Pagina's 24–34. IEEE (2021).
https: / / doi.org/ 10.1109 / QCE52317.2021.00018

[21] Bujiao Wu, Jinzhao Zon, Qi Huang en Xiao Yuan. “Overlappende groeperingsmeting: een uniform raamwerk voor het meten van kwantumtoestanden” (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2023-01-13-896

[22] Pranav Gokhale, Olivia Angiuli, Yongshan Ding, Kaiwen Gui, Teague Tomesh, Martin Suchara, Margaret Martonosi en Frederic T Chong. “Het minimaliseren van toestandsvoorbereidingen in de variatie-kwantum-eigensolver door opdeling in woon-werkfamilies” (2019). arXiv:1907.13623.
arXiv: 1907.13623

[23] Artur F Izmaylov, Tzu-Ching Yen, Robert A Lang en Vladyslav Verteletskyi. "Unitaire partitiebenadering van het meetprobleem in de variatie-kwantum-eigensolver-methode". Tijdschrift voor chemische theorie en berekening 16, 190–195 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.9b00791

[24] Ophelia Crawford, Barnaby van Straaten, Daochen Wang, Thomas Parks, Earl Campbell en Stephen Brierley. "Efficiënte kwantummeting van Pauli-operators in aanwezigheid van eindige bemonsteringsfout". Kwantum 5, 385 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-01-20-385

[25] William J Huggins, Jarrod R McClean, Nicholas C Rubin, Zhang Jiang, Nathan Wiebe, K Birgitta Whaley en Ryan Babbush. "Efficiënte en geluidsbestendige metingen voor de kwantumchemie op kwantumcomputers op korte termijn". npj Quantuminformatie 7, 1–9 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41534-020-00341-7

[26] Ikko Hamamura en Takashi Imamichi. "Efficiënte evaluatie van kwantumwaarneembare gegevens met behulp van verstrengelde metingen". npj Quantuminformatie 6, 1–8 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41534-020-0284-2

[27] Sergey Bravyi, Jay M Gambetta, Antonio Mezzacapo en Kristan Temme. "Qubits afbouwen om fermionische Hamiltonianen te simuleren" (2017). arXiv:1701.08213.
arXiv: 1701.08213

[28] Andrew Zhao, Andrew Tranter, William M Kirby, Shu Fay Ung, Akimasa Miyake en Peter J Love. ‘Meetreductie in variatiekwantumalgoritmen’. Fysieke beoordeling A 101, 062322 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.062322

[29] Tzu-Ching Yen, Vladyslav Verteletskyi en Artur F Izmaylov. "Het meten van alle compatibele operators in één reeks metingen van één qubit met behulp van unitaire transformaties". Tijdschrift voor chemische theorie en berekening 16, 2400–2409 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.0c00008

[30] Andrew Jena, Scott Genin en Michele Mosca. "Pauli-partitionering met betrekking tot gate-sets" (2019). arXiv:1907.07859.
arXiv: 1907.07859

[31] Tzu-Ching Yen, Aadithya Ganeshram en Artur F Izmaylov. “Deterministische verbeteringen van kwantummetingen met groepering van compatibele operatoren, niet-lokale transformaties en covariantieschattingen” (2022).
arXiv: 2201.01471v3

[32] Seonghoon Choi, Tzu-Ching Yen en Artur F Izmaylov. "Het verbeteren van kwantummetingen door de introductie van 'Ghost' Pauli-producten". Journal of Chemical Theory and Computation 18, 7394–7402 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.2c00837

[33] Seonghoon Choi, Ignacio Loaiza en Artur F Izmaylov. "Vloeibare fermionische fragmenten voor het optimaliseren van kwantummetingen van elektronische Hamiltonianen in de variatiekwantum-eigensolver". Kwantum 7, 889 (2023).
https://doi.org/10.22331/q-2023-01-03-889

[34] Andrew Arrasmith, Lukasz Cincio, Rolando D Somma en Patrick J Coles. "Bemonstering door operators voor shot-zuinige optimalisatie in variatie-algoritmen" (2020). arXiv:2004.06252.
arXiv: 2004.06252

[35] Gregory Boyd en Bálint Koczor. “Variationele kwantumcircuits trainen met CoVaR: covariantiewortelvinding met klassieke schaduwen” (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.12.041022

[36] Ting Zhang, Jinzhao Zon, Xiao-Xu Fang, Xiao-Ming Zhang, Xiao Yuan en He Lu. ‘Experimentele kwantumtoestandsmeting met klassieke schaduwen’. Fysieke beoordelingsbrieven 127, 200501 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.200501

[37] Suguru Endo, Jinzhao Sun, Ying Li, Simon C Benjamin en Xiao Yuan. ‘Variationele kwantumsimulatie van algemene processen’. Fysieke beoordelingsbrieven 125, 010501 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.010501

[38] PAM Dirac. "Opmerking over uitwisselingsverschijnselen in het thomasatoom". Wiskundige procedures van de Cambridge Philosophical Society 26, 376-385 (1930).
https: / / doi.org/ 10.1017 / S0305004100016108

[39] Âkov Il'ič Frenkel. “Golfmechanica; geavanceerde algemene theorie”. Stier. Amer. Wiskunde. Soc 41, 776 (1935).

[40] Peter Kramer en Marcos Saraceno. ‘Geometrie van het tijdsafhankelijke variatieprincipe in de kwantummechanica’. In Group Theoretical Methods in Physics: Proceedings of the IX International Colloquium gehouden in Cocoyoc, México, 23-27 juni 1980. Pagina's 112-121. Springer (2005).
https://doi.org/10.1007/3-540-10271-X_317

[41] J Broeckhove, L Lathouwers, E Kesteloot en P Van Leuven. "Over de gelijkwaardigheid van tijdsafhankelijke variatieprincipes". Chem. Fys. Let. 149, 547-550 (1988).
https://doi.org/10.1016/0009-2614(88)80380-4

[42] Artur F Izmaylov, Tzu-Ching Yen, Robert A Lang en Vladyslav Verteletskyi. "Unitaire partitiebenadering van het meetprobleem in de variatie-kwantum-eigensolver-methode". Tijdschrift voor chemische theorie en berekening 16, 190–195 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.9b00791

[43] Andrew Zhao, Andrew Tranter, William M Kirby, Shu Fay Ung, Akimasa Miyake en Peter J Love. ‘Meetreductie in variatiekwantumalgoritmen’. Fysieke beoordeling A 101, 062322 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.062322

[44] Tzu-Ching Yen, Vladyslav Verteletskyi en Artur F Izmaylov. "Het meten van alle compatibele operators in één reeks metingen van één qubit met behulp van unitaire transformaties". Tijdschrift voor chemische theorie en berekening 16, 2400–2409 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.0c00008

[45] Giacomo Torlai, Guglielmo Mazzola, Giuseppe Carleo en Antonio Mezzacapo. "Nauwkeurige meting van kwantumwaarneembare gegevens met neurale netwerkschatters". Fysisch beoordelingsonderzoek 2, 022060 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.022060

[46] Ophelia Crawford, Barnaby van Straaten, Daochen Wang, Thomas Parks, Earl Campbell en Stephen Brierley. "Efficiënte kwantummeting van Pauli-operators in aanwezigheid van eindige bemonsteringsfout". Kwantum 5, 385 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-01-20-385

[47] William J Huggins, Jarrod R McClean, Nicholas C Rubin, Zhang Jiang, Nathan Wiebe, K Birgitta Whaley en Ryan Babbush. "Efficiënte en geluidsbestendige metingen voor de kwantumchemie op kwantumcomputers op korte termijn". npj Quantuminformatie 7, 1–9 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41534-020-00341-7

[48] Maria Schuld, Ville Bergholm, Christian Gogolin, Josh Izaac en Nathan Killoran. "Evaluatie van analytische gradiënten op kwantumhardware". Fysieke beoordeling A 99, 032331 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032331

[49] Barnaby van Straaten en Bálint Koczor. ‘Meetkosten van metriekbewuste variatiekwantumalgoritmen’. PRX Quantum 2, 030324 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030324

[50] Yasunari Suzuki, Yoshiaki Kawase, Yuya Masumura, Yuria Hiraga, Masahiro Nakadai, Jiabao Chen, Ken M Nakanishi, Kosuke Mitarai, Ryosuke Imai, Shiro Tamiya, et al. "Qulacs: een snelle en veelzijdige kwantumcircuitsimulator voor onderzoeksdoeleinden". Kwantum 5, 559 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-10-06-559

[51] Benoı̂t Collins en Piotr Śniady. "Integratie met betrekking tot de Haar-maatregel op unitaire, orthogonale en symplectische groepen". Communicatie in de wiskundige natuurkunde 264, 773-795 (2006).
https://doi.org/10.1007/s00220-006-1554-3

Geciteerd door

[1] Benchen Huang, Nan Sheng, Marco Govoni en Giulia Galli, "Quantumsimulaties van fermionische Hamiltonianen met efficiënte codering en ansatz-schema's", arXiv: 2212.01912, (2022).

Bovenstaande citaten zijn afkomstig van SAO / NASA ADS (laatst bijgewerkt met succes 2023-05-06 01:00:39). De lijst is mogelijk onvolledig omdat niet alle uitgevers geschikte en volledige citatiegegevens verstrekken.

On De door Crossref geciteerde service er zijn geen gegevens gevonden over het citeren van werken (laatste poging 2023-05-06 01:00:37).

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.

Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
PlatoAiStream. Web3 gegevensintelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
De toekomst slaan met Adryenn Ashley. Toegang hier.
Koop en verkoop aandelen in PRE-IPO-bedrijven met PREIPO®. Toegang hier.
Bron: https://quantum-journal.org/papers/q-2023-05-04-995/

Tijdstempel: 4 mei 2023

Tijdstempel: 8 november 2023

Meetoptimalisatie van variatiekwantumsimulatie door klassieke schaduw en derandomisatie

Heruitgegeven door Plato

Abstract

Populaire samenvatting

► BibTeX-gegevens

► Referenties

Geciteerd door

Meer van Quantum Journaal

Optimale niet-evenwichtsthermometrie in Markoviaanse omgevingen

Diepte-efficiënte bewijzen van kwantumheid

Quantum Monte Carlo-simulaties voor financiële risicoanalyse: scenariogeneratie voor aandelen-, rente- en kredietrisicofactoren

Axioma's voor retrodictie: het bereiken van tijdomkeersymmetrie met een prior

Fermionproductie aan de grens van een uitdijend universum: een zwaartekrachtanaloog met koude atomen

Symmetrie-verbeterde variatie kwantumspin eigensolver

Metrologie en meerdelige verstrengeling in door metingen geïnduceerde faseovergang

Twee-unitair decompositie-algoritme en open kwantumsysteemsimulatie

Simulatie van ijktheorieën met variabele kwantum-eigensolvers in supergeleidende microgolfholtes

Een wiskundig raamwerk voor operationele fijnafstemmingen

Over Ons

Verticaal zoeken & Ai

Platform

Blijf verbonden

Account