Overhead-beperkt circuitbreien voor variatie in de kwantumdynamica

Overhead-beperkt circuitbreien voor variatie in de kwantumdynamica

Gian Gentinetta, Friederike Metz en Giuseppe Carloo

Instituut voor Natuurkunde, ร‰cole Polytechnique Fรฉdรฉrale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Zwitserland
Centrum voor kwantumwetenschap en -techniek, ร‰cole Polytechnique Fรฉdรฉrale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Zwitserland

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

Abstract

Het simuleren van de dynamiek van grote kwantumsystemen is een formidabel maar essentieel streven voor het verkrijgen van een dieper begrip van kwantummechanische verschijnselen. Hoewel kwantumcomputers veelbelovend zijn voor het versnellen van dergelijke simulaties, blijft hun praktische toepassing gehinderd door beperkte schaal en alomtegenwoordige ruis. In dit werk stellen we een aanpak voor die deze uitdagingen aanpakt door circuitbreien te gebruiken om een โ€‹โ€‹groot kwantumsysteem op te delen in kleinere subsystemen die elk op een afzonderlijk apparaat kunnen worden gesimuleerd. De evolutie van het systeem wordt bepaald door het geprojecteerde variatie-kwantumdynamica-algoritme (PVQD), aangevuld met beperkingen op de parameters van het variatie-kwantumcircuit, waardoor ervoor wordt gezorgd dat de bemonsteringsoverhead die wordt opgelegd door het circuitbreischema beheersbaar blijft. We testen onze methode op kwantumspinsystemen met meerdere zwak verstrengelde blokken die elk bestaan โ€‹โ€‹uit sterk gecorreleerde spins, waarbij we de dynamiek nauwkeurig kunnen simuleren terwijl we de bemonsteringsoverhead beheersbaar houden. Verder laten we zien dat dezelfde methode kan worden gebruikt om de circuitdiepte te verkleinen door langeafstandspoorten te snijden.

In dit werk simuleren we de real-time dynamiek van kwantumsystemen met veel lichamen die zijn samengesteld uit meerdere zwak gecorreleerde subsystemen door de subsystemen over verschillende kwantumapparaten te distribueren. Dit wordt bereikt met een techniek die bekend staat als circuitbreien en die een globaal kwantumkanaal opsplitst in lokaal realiseerbare kanalen via een quasi-waarschijnlijkheidsverdeling. Dit maakt het mogelijk om, ten koste van een overhead in het aantal metingen, op klassieke wijze de verstrengeling tussen de verschillende subsystemen te reconstrueren. Over het algemeen schaalt de overhead van de bemonstering exponentieel in de simulatietijd, omdat de verstrengeling tussen subsystemen in de loop van de tijd toeneemt.

Als belangrijkste bijdrage van ons werk modificeren we een variatieal kwantumtijdevolutie-algoritme (PVQD) door de variatieparameters te beperken tot een subruimte waar de vereiste bemonsteringsoverhead onder een beheersbare drempel blijft. We laten zien dat we door dit beperkte optimalisatie-algoritme hoge betrouwbaarheid bereiken in de tijdsevolutie van kwantumspinsystemen voor realistische drempels. De nauwkeurigheid van de simulatie kan worden gecontroleerd door deze nieuwe hyperparameter af te stemmen, waardoor optimale resultaten mogelijk zijn met een vast budget van totale kwantumbronnen.

โ–บ BibTeX-gegevens

โ–บ Referenties

[1] Richard P. Feynman. "Fysica simuleren met computers". International Journal of Theoretische Fysica 21, 467-488 (1982).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02650179

[2] Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takita, Markus Brink, Jerry M. Chow en Jay M. Gambetta. "Hardware-efficiรซnte variatie kwantum eigensolver voor kleine moleculen en kwantummagneten". Natuur 549, 242-246 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23879

[3] A. Chiesa, F. Tacchino, M. Grossi, P. Santini, I. Tavernelli, D. Gerace en S. Carretta. "Kwantumhardware die vierdimensionale inelastische neutronenverstrooiing simuleert". Natuurfysica 15, 455โ€“459 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41567-019-0437-4

[4] Frank Arute et al. "Hartree-fock op een supergeleidende qubit-kwantumcomputer". Wetenschap 369, 1084โ€“1089 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.abb9811

[5] Frank Arute et al. โ€œObservatie van gescheiden dynamiek van lading en spin in het fermi-hubbard-modelโ€ (2020). arXiv:2010.07965.
arXiv: 2010.07965

[6] C.Neill et al. "Nauwkeurig berekenen van de elektronische eigenschappen van een kwantumring". Natuur 594, 508โ€“512 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41586-021-03576-2

[7] J. Zhang, G. Pagano, PW Hess, A. Kyprianidis, P. Becker, H. Kaplan, AV Gorshkov, ZX Gong en C. Monroe. "Observatie van een dynamische faseovergang met veel lichamen met een kwantumsimulator van 53 qubit". Natuur 551, 601โ€“604 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature24654

[8] James Dborin, Vinul Wimalaweera, F. Barratt, Eric Ostby, Thomas E. O'Brien en AG Green. "Het simuleren van grondtoestand- en dynamische kwantumfase-overgangen op een supergeleidende kwantumcomputer". Natuurcommunicatie 13, 5977 (2022).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41467-022-33737-4

[9] Sepehr Ebadi, Tout T. Wang, Harry Levine, Alexander Keesling, Giulia Semeghini, Ahmed Omran, Dolev Bluvstein, Rijn Samajdar, Hannes Pichler, Wen Wei Ho, Soonwon Choi, Subir Sachdev, Markus Greiner, Vladan Vuletiฤ‡ en Mikhail D. Lukin . "Kwantumfasen van materie op een programmeerbare kwantumsimulator van 256 atomen". Natuur 595, 227โ€“232 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41586-021-03582-4

[10] Ehud Altman. "Lokalisatie van veel lichamen en kwantumthermalisatie". Natuurfysica 14, 979โ€“983 (2018).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41567-018-0305-7

[11] Wibe A. de Jong, Kyle Lee, James Mulligan, Mateusz Pล‚oskoล„, Felix Ringer en Xiaojun Yao. โ€˜Kwantumsimulatie van niet-evenwichtsdynamiek en thermalisatie in het Schwinger-modelโ€™. Fys. D106, 054508 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.106.054508

[12] Youngseok Kim, Andrew Eddins, Sajant Anand, Ken Xuan Wei, Ewout van den Berg, Sami Rosenblatt, Hasan Nayfeh, Yantao Wu, Michael Zaletel, Kristan Temme en Abhinav Kandala. โ€œBewijs voor het nut van quantum computing vรณรณr fouttolerantieโ€. Natuur 618, 500โ€“505 (2023).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41586-023-06096-3

[13] Andrew M. Childs, Dmitri Maslov, Yunseong Nam, Neil J. Ross en Yuan Su. โ€œOp weg naar de eerste kwantumsimulatie met kwantumversnellingโ€. Proceedings van de National Academy of Sciences 115, 9456โ€“9461 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1801723115

[14] Ryan Babbush, Craig Gidney, Dominic W. Berry, Nathan Wiebe, Jarrod McClean, Alexandru Paler, Austin Fowler en Hartmut Neven. โ€˜Elektronische spectra coderen in kwantumcircuits met lineaire t-complexiteitโ€™. Fys. Rev. X 8, 041015 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[15] Yunseong Nam en Dmitri Maslov. "Low-cost kwantumcircuits voor klassiek hardnekkige voorbeelden van het Hamiltonian Dynamics-simulatieprobleem". npj Quantuminformatie 5, 44 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41534-019-0152-0

[16] Mario Motta, Erika Ye, Jarrod R. McClean, Zhendong Li, Austin J. Minnich, Ryan Babbush en Garnet Kin-Lic Chan. "Lage rang representaties voor kwantumsimulatie van elektronische structuur". npj Quantuminformatie 7, 83 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-021-00416-z

[17] Jay Gambetta. โ€œHet uitbreiden van de IBM Quantum-roadmap om te anticiperen op de toekomst van kwantumcentrische supercomputingโ€. url: https://โ€‹/โ€‹research.ibm.com/โ€‹blog/โ€‹ibm-quantum-roadmap-2025.
https://โ€‹/โ€‹research.ibm.com/โ€‹blog/โ€‹ibm-quantum-roadmap-2025

[18] John Preskill. "Quantum Computing in het NISQ-tijdperk en daarna". Kwantum 2, 79 (2018).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2018-08-06-79

[19] Sergey Bravyi, Graeme Smith en John A. Smolin. "Het verhandelen van klassieke en kwantumcomputerbronnen". Fys. Rev. X 6, 021043 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.021043

[20] Tianyi Peng, Aram W. Harrow, Maris Ozols en Xiaodi Wu. "Grote kwantumcircuits simuleren op een kleine kwantumcomputer". Fysiek. Eerwaarde Lett. 125, 150504 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.150504

[21] Kosuke Mitarai en Keisuke Fujii. "Een virtuele poort van twee qubits construeren door bewerkingen van รฉรฉn qubit te bemonsteren". Nieuw Journal of Physics 23, 023021 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / abd7bc

[22] Kosuke Mitarai en Keisuke Fujii. "Overhead voor het simuleren van een niet-lokaal kanaal met lokale kanalen door middel van quasiprobability sampling". Kwantum 5, 388 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2021-01-28-388

[23] Christophe Piveteau en David Sutter. โ€œCircuitbreien met klassieke communicatieโ€. IEEE-transacties over informatietheorie Pagina 1โ€“1 (2024).
https: / / doi.org/ 10.1109 / tit.2023.3310797

[24] Zhuo Fan en Quan-lin Jie. โ€˜Clusterdichtheidsmatrix-inbeddingstheorie voor kwantumspinsystemenโ€™. Fys. B 91, 195118 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.91.195118

[25] Klaas Gunst, Sebastian Wouters, Stijn De Baerdemacker en Dimitri Van Neck. "Blokproductdichtheidsmatrix-inbeddingstheorie voor sterk gecorreleerde spinsystemen". Fys. B 95, 195127 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.95.195127

[26] Takeshi Yamazaki, Shunji Matsuura, Ali Narimani, Anushervon Saidmuradov en Arman Zaribafiyan. โ€œOp weg naar de praktische toepassing van kwantumcomputers op de korte termijn in kwantumchemische simulaties: een probleemdecompositiebenaderingโ€ (2018). arXiv:1806.01305.
arXiv: 1806.01305

[27] Max Rossmannek, Panagiotis Kl. Barkoutsos, Pauline J. Ollitrault en Ivano Tavernelli. "Quantum HF/โ€‹DFT-inbeddingsalgoritmen voor elektronische structuurberekeningen: opschalen naar complexe moleculaire systemen". Het Journal of Chemical Physics 154, 114105 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0029536

[28] Andrew Eddins, Mario Motta, Tanvi P. Gujarati, Sergey Bravyi, Antonio Mezzacapo, Charles Hadfield en Sarah Sheldon. "De omvang van kwantumsimulators verdubbelen door verstrengeling te smeden". PRX Quantum 3, 010309 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010309

[29] Patrick Huembeli, Giuseppe Carleo en Antonio Mezzacapo. โ€œVerstrengeling smeden met generatieve neurale netwerkmodellenโ€ (2022). arXiv:2205.00933.
arXiv: 2205.00933

[30] Paulin de Schoulepnikoff, Oriel Kiss, Sofia Vallecorsa, Giuseppe Carleo en Michele Grossi. โ€œHybride kwantumalgoritmen in de grondtoestand gebaseerd op neuraal Schrรถdinger-smedenโ€ (2023). arXiv:2307.02633.
arXiv: 2307.02633

[31] Abigail McClain Gomez, Taylor L. Patti, Anima Anandkumar en Susanne F. Yelin. "Gedistribueerde kwantumberekeningen op de korte termijn met behulp van gemiddelde veldcorrecties en hulpqubits" (2023). arXiv:2309.05693.
arXiv: 2309.05693

[32] Stefano Barison, Filippo Vicentini en Giuseppe Carleo. โ€œKlassieke variatiemethoden inbedden in kwantumcircuitsโ€ (2023). arXiv:2309.08666.
arXiv: 2309.08666

[33] Xiao Yuan, Jinzhao Sun, Junyu Liu, Qi Zhao en You Zhou. "Kwantumsimulatie met hybride tensornetwerken". Fysiek. Eerwaarde Lett. 127, 040501 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.040501

[34] Jinzhao Sun, Suguru Endo, Huiping Lin, Patrick Hayden, Vlatko Vedral en Xiao Yuan. "Perturbatieve kwantumsimulatie". Fys. Ds. Lett. 129, 120505 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.120505

[35] J. Eisert, M. Cramer en MB Plenio. "Colloquium: Gebiedswetten voor de verstrengelingsentropie". Rev. Mod. Fys. 82, 277โ€“306 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.82.277

[36] Ulrich Schollwรถck. "De dichtheidsmatrix-renormalisatiegroep in het tijdperk van matrixproducttoestanden". Annals of Physics 326, 96-192 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.aop.2010.09.012

[37] Jin-Guo Liu, Yi-Hong Zhang, Yuan Wan en Lei Wang. "Variationele kwantum-eigensolver met minder qubits". Fys. Rev. Res. 1, 023025 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.1.023025

[38] Sam McArdle, Suguru Endo, Alรกn Aspuru-Guzik, Simon C. Benjamin en Xiao Yuan. "Kwantum computationele chemie". Ds. Mod. Fysiek. 92, 015003 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.015003

[39] G. Kotliar, SY Savrasov, K. Haule, VS Oudovenko, O. Parcollet en CA Marianetti. โ€˜Elektronische structuurberekeningen met dynamische gemiddelde veldtheorieโ€™. Recensies van Moderne Natuurkunde 78, 865-951 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / revmodphys.78.865

[40] Qiming Sun en Garnet Kin-Lic Chan. "Kwantum-inbeddingstheorieรซn". Verslagen van chemisch onderzoek 49, 2705โ€“2712 (2016).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1021/โ€‹acs.accounts.6b00356

[41] Stefano Barison, Filippo Vicentini en Giuseppe Carleo. "Een efficiรซnt kwantumalgoritme voor de tijdsevolutie van geparametriseerde circuits". Kwantum 5, 512 (2021).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2021-07-28-512

[42] 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

[43] Jacov Frenkel. โ€œGolfmechanica: geavanceerde algemene theorieโ€. Londen: Oxford University Press. (1934).
https: / / doi.org/ 10.1017 / s0025557200203604

[44] AD McLachlan. โ€˜Een variatieoplossing van de tijdsafhankelijke Schrรถdingervergelijkingโ€™. Moleculaire Fysica 8, 39-44 (1964).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00268976400100041

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

[46] Julien Gacon, Jannes Nys, Riccardo Rossi, Stefan Woerner en Giuseppe Carleo. "Variationele kwantumtijdevolutie zonder de kwantumgeometrische tensor". Fysisch beoordelingsonderzoek 6 (2024).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.6.013143

[47] R. Cleve, A. Ekert, C. Macchiavello en M. Mosca. "Kwantumalgoritmen opnieuw bekeken". Proceedings van de Royal Society of London. Serie A: Wiskundige, natuurkundige en technische wetenschappen 454, 339โ€“354 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.1998.0164

[48] Vojtฤ›ch Havlรญฤek, Antonio D. Cรณrcoles, Kristan Temme, Aram W. Harrow, Abhinav Kandala, Jerry M. Chow en Jay M. Gambetta. "Leren onder toezicht met kwantumverbeterde featureruimtes". Natuur 567, 209โ€“212 (2019).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41586-019-0980-2

[49] M. Cerezo, Akira Sone, Tyler Volkoff, Lukasz Cincio en Patrick J. Coles. "Kostenfunctieafhankelijke kale plateaus in ondiepe geparametriseerde kwantumcircuits". Natuurcommunicatie 12, 1791 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-021-21728-w

[50] Tobias Haug en MS Kim. โ€œOptimale training van variatiekwantumalgoritmen zonder dorre plateausโ€ (2021). arXiv:2104.14543.
arXiv: 2104.14543

[51] Lukas Schmitt, Christophe Piveteau en David Sutter. "Circuits doorsnijden met meerdere unitaire eenheden van twee qubit" (2023). arXiv:2312.11638.
arXiv: 2312.11638

[52] Christian Ufrecht, Laura S. Herzog, Daniel D. Scherer, Maniraman Periyasamy, Sebastian Rietsch, Axel Plinge en Christopher Mutschler. โ€œOptimaal gezamenlijk snijden van twee-qubit rotatiepoortenโ€ (2023). arXiv:2312.09679.
arXiv: 2312.09679

[53] Diederik P. Kingma en Jimmy Ba. "Adam: een methode voor stochastische optimalisatie" (2017). arXiv:1412.6980.
arXiv: 1412.6980

[54] Michael A. Nielsen en Isaac L. Chuang. "Kwantumberekening en kwantuminformatie: 10e jubileumeditie". Cambridge University Press. (2010).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[55] Sajant Anand, Kristan Temme, Abhinav Kandala en Michael Zaletel. โ€œKlassieke benchmarking van extrapolatie van nulgeluid buiten het exact verifieerbare regimeโ€ (2023). arXiv:2306.17839.
arXiv: 2306.17839

[56] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J. Love, Alรกn Aspuru-Guzik en Jeremy L. O'Brien. "Een variatie-eigenwaardeoplosser op een fotonische kwantumprocessor". Natuurcommunicatie 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[57] Tuhin Khare, Ritajit Majumdar, Rajiv Sangle, Anupama Ray, Padmanabha Venkatagiri Seshadri en Yogesh Simmhan. โ€œParallelisering van kwantumklassieke workloads: profilering van de impact van splitsingstechniekenโ€ (2023). arXiv:2305.06585.
arXiv: 2305.06585

[58] Sebastian Brandhofer, Ilia Polian en Kevin Krsulich. โ€œOptimale partitionering van kwantumcircuits met behulp van poort- en draaddoorsnedenโ€ (2023). arXiv:2308.09567.
arXiv: 2308.09567

[59] Daniele Cuomo, Marcello Caleffi en Angela Sara Cacciapuoti. โ€œOp weg naar een gedistribueerd quantum computing-ecosysteemโ€. IET Quantumcommunicatie 1, 3โ€“8 (2020).
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1049/โ€‹iet-qtc.2020.0002

[60] Jeff Bezanson, Alan Edelman, Stefan Karpinski en Viral B Shah. โ€œJulia: Een frisse benadering van numeriek computergebruikโ€. SIAM-recensie 59, 65โ€“98 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 141000671

[61] Xiu-Zhe Luo, Jin-Guo Liu, Pan Zhang en Lei Wang. "Yao.jl: uitbreidbaar, efficiรซnt raamwerk voor ontwerp van kwantumalgoritmen". Kwantum 4, 341 (2020).
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2020-10-11-341

[62] Gian Gentinetta, Friederike Metz en Giuseppe Carleo. โ€˜Code voor manuscript Overhead-constrained circuitbreien voor variatiekwantumdynamicaโ€™. Github (2024).
https: / / doi.org/ 10.5281 / zenodo.10829066

Geciteerd door

[1] Travis L. Scholten, Carl J. Williams, Dustin Moody, Michele Mosca, William Hurley, William J. Zeng, Matthias Troyer en Jay M. Gambetta, โ€œBeoordeling van de voordelen en risicoโ€™s van kwantumcomputersโ€, arXiv: 2401.16317, (2024).

[2] Julien Gacon, โ€œSchaalbare kwantumalgoritmen voor luidruchtige kwantumcomputersโ€, arXiv: 2403.00940, (2024).

Bovenstaande citaten zijn afkomstig van SAO / NASA ADS (laatst bijgewerkt met succes 2024-03-22 05:07:54). 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 2024-03-22 05:07:53).

Tijdstempel:

Meer van Quantum Journaal