Feiltolerant kvanteberegning av molekylære observerbare

Feiltolerant kvanteberegning av molekylære observerbare

Tidsstempel: 6. november 2023, kl

Mark Steudtner1, Sam Morley-Short1, William Pol1, Sukin Sim1, Cristian L. Cortes2, Matthias Loipersberger2, Robert M. Parrish2, Matthias Degroote3, Nikolaj Moll3, Raffaele Santagati3og Michael Streif3

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

Finn dette papiret interessant eller vil diskutere? Scite eller legg igjen en kommentar på SciRate.

Abstrakt

I løpet av de siste tre tiårene har det blitt gjort betydelige reduksjoner i kostnadene ved å estimere grunntilstandsenergier til molekylære Hamiltonianere med kvantedatamaskiner. Det har imidlertid blitt viet forholdsvis lite oppmerksomhet til å estimere forventningsverdiene til andre observerbare med hensyn til nevnte grunntilstander, noe som er viktig for mange industrielle anvendelser. I dette arbeidet presenterer vi en ny kvantealgoritme for forventningsverdiestimering (EVE) som kan brukes til å estimere forventningsverdiene til vilkårlige observerbare med hensyn til en hvilken som helst av systemets egentilstander. Spesielt vurderer vi to varianter av EVE: std-EVE, basert på standard kvantefaseestimering, og QSP-EVE, som bruker kvantesignalbehandlingsteknikker (QSP). Vi tilbyr streng feilanalyse for begge variantene og minimerer antall individuelle fasefaktorer for QSPEVE. Disse feilanalysene gjør oss i stand til å produsere kvanteressursestimater med konstant faktor for både std-EVE og QSP-EVE på tvers av en rekke molekylære systemer og observerbare. For de betraktede systemene viser vi at QSP-EVE reduserer (Toffoli) gatetellinger med opptil tre størrelsesordener og reduserer qubit-bredden med opptil 25 % sammenlignet med std-EVE. Mens estimerte ressurstellinger forblir altfor høye for de første generasjonene av feiltolerante kvantedatamaskiner, markerer estimatene våre en første i sitt slag for både bruk av forventningsverdiestimering og moderne QSP-baserte teknikker.

Feiltolerant kvanteberegning av molekylære observerbare PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikalt søk. Ai.

► BibTeX-data

► Referanser

[1] David Poulin, Matthew B. Hastings, Dave Wecker, Nathan Wiebe, Andrew C. Doberty og Matthias Troyer. "Travtrinnstørrelsen som kreves for nøyaktig kvantesimulering av kvantekjemi". Kvanteinformasjon. Comput. 15, 361–384 (2015).
https: / / doi.org/ 10.5555 / 2871401.2871402

[2] Markus Reiher, Nathan Wiebe, Krysta M. Svore, Dave Wecker og Matthias Troyer. "Belyse reaksjonsmekanismer på kvantedatamaskiner". Proceedings of the 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 og Hartmut Neven. "Koding av elektroniske spektre i kvantekretser med lineær T-kompleksitet". Fysisk gjennomgang X 8, 041015 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[4] Dominic W. Berry, Craig Gidney, Mario Motta, Jarrod R. McClean og Ryan Babbush. "Qubitisering av vilkårlig kvantekjemi som utnytter sparsomhet og lav rangfaktorisering". Quantum 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 og Ryan Babbush. "Enda mer effektive kvanteberegninger av kjemi gjennom tensorhyperkontraksjon". PRX Quantum 2, 030305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030305

[6] Yuan Su, Dominic W. Berry, Nathan Wiebe, Nicholas Rubin og Ryan Babbush. "Feiltolerante kvantesimuleringer av kjemi i første kvantisering". 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 og Eunseok Lee. "Feiltolerant ressursestimat for kvantekjemiske simuleringer: Kasusstudie på li-ion batterielektrolyttmolekyler". Phys. Rev. Forskning 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 og Juan Miguel Arrazola. "Simulerer nøkkelegenskapene til litiumionbatterier med en feiltolerant kvantedatamaskin". Phys. Rev. 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 og Matthias Troyer. "Kvantedatabehandling forbedret beregningskatalyse". Phys. 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 og Nicholas C. Rubin. "Vurderer den elektroniske strukturen til cytochrome p450 pålitelig på dagens klassiske datamaskiner og morgendagens kvantedatamaskiner". 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. "Effektiv kvanteberegning av molekylære krefter og andre energigradienter". Phys. Rev. Res. 4, 043210 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.043210

[12] Christopher J Cramer. "Vesentlige elementer i beregningskjemi: teorier og modeller". John Wiley og sønner. (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, og Clemens Utschig-Utschig. "Drug design på kvantedatamaskiner" (2023). arXiv:2301.04114.
arxiv: 2301.04114

[14] Clifford W Fong. "Permeabilitet av blod-hjerne-barrieren: molekylær mekanisme for transport av medikamenter og fysiologisk viktige forbindelser". The Journal of membrane biology 248, 651–669 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00232-015-9778-9

[15] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz og Rolando D. Somma. "Optimale kvantemålinger av forventningsverdier for observerbare". Physical Review A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.75.012328

[16] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca og Alain Tapp. "Kvanteamplitudeforsterkning og estimering". Samtidsmatematikk 305, 53–74 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1090 / conm / 305/05215

[17] A. Yu. Kitaev. "Quante measurements and the Abelian Stabilizer Problem" (1995). arXiv:quant-ph/​9511026.
arxiv: Quant-ph / 9511026

[18] David Poulin og Pawel Wocjan. "Forberede grunntilstander for kvante-mangekroppssystemer på en kvantedatamaskin". Physical Review Letters 102, 130503 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.102.130503

[19] David Poulin, Alexei Kitaev, Damian S. Steiger, Matthew B. Hastings og Matthias Troyer. "Kvantealgoritme for spektral måling med et lavere portantall". Phys. Rev. Lett. 121, 010501 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.010501

[20] Yimin Ge, Jordi Tura og J. Ignacio Cirac. "Raskere forberedelse av grunntilstand og høypresisjon bakkeenergiestimering med færre qubits". Journal of Mathematical Physics 60, 022202 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5027484

[21] Lin Lin og Yu Tong. "Nesten optimal grunntilstandsforberedelse". Quantum 4, 372 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-12-14-372

[22] Ruizhe Zhang, Guoming Wang og Peter Johnson. "Beregning av grunntilstandsegenskaper med tidlige feiltolerante kvantedatamaskiner". Quantum 6, 761 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-11-761

[23] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz og Rolando D. Somma. "Optimale kvantemålinger av forventningsverdier for observerbare". Phys. Rev. A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328

[24] András Gilyén, Yuan Su, Guang Hao Low og Nathan Wiebe. "Quante singular verditransformasjon og utover: eksponentielle forbedringer for kvantematrisearitmetikk". I Proceedings of the 51st Annual ACM SIGACT Symposium on Theory of Computing. ACM (2019).

[25] Patrick Rall. "Kvantealgoritmer for å estimere fysiske mengder ved bruk av blokkkodinger". Phys. 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 og Ryan Babbush. "Nesten optimal kvantealgoritme for å estimere flere forventningsverdier". Phys. Rev. Lett. 129, 240501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.240501

[27] Arjan Cornelissen, Yassine Hamoudi og Sofiene Jerbi. "Nesten optimale kvantealgoritmer for multivariat gjennomsnittsberegning". I Proceedings of the 54th Annual ACM SIGACT Symposium on Theory of Computing. Side 33–43. STOC 2022New York, NY, USA (2022). Foreningen for datamaskiner.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3520045

[28] Guang Hao Low og Isaac L. Chuang. "Optimal Hamiltonsk simulering ved kvantesignalbehandling". Phys. Rev. Lett. 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501

[29] Patrick Rall. "Raskere koherente kvantealgoritmer for fase-, energi- og amplitudeestimering". Quantum 5, 566 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-10-19-566

[30] John M. Martyn, Zane M. Rossi, Andrew K. Tan og Isaac L. Chuang. "Stor forening av kvantealgoritmer". 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 og Michele Mosca. "Optimale kvantekretser for generell faseestimering". Phys. Rev. Lett. 98, 090501 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.090501

[32] Gumaro Rendon, Taku Izubuchi og Yuta Kikuchi. "Effekter av cosinusavsmalnende vindu på kvantefaseestimering". Phys. Rev. D 106, 034503 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.106.034503

[33] Kosuke Mitarai, Kiichiro Toyoizumi og Wataru Mizukami. "Perturbasjonsteori med kvantesignalbehandling". Quantum 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 og Ryan Babbush. "Forbedrede teknikker for å forberede egentilstander til fermioniske hamiltonianere". npj Quantum Information 4, 22 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-018-0071-5

[35] Guang Hao Low og Isaac L. Chuang. "Hamiltonsk simulering ved Qubitization". Quantum 3, 163 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-07-12-163

[36] Yulong Dong, Lin Lin og Yu Tong. "Grunketilstandsforberedelse og energiestimering på tidlige feiltolerante kvantedatamaskiner via kvanteegenverditransformasjon av enhetlige matriser". PRX Quantum 3, 040305 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.040305

[37] Earl T Campbell. "Tidlige feiltolerante simuleringer av Hubbard-modellen". Quantum Science and Technology 7, 015007 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ac3110

[38] Richard Cleve, Artur Ekert, Chiara Macchiavello og Michele Mosca. "Kvantealgoritmer revidert". Proceedings of the Royal Society of London. Serie A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 454, 339–354 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.1998.0164

[39] Craig Gidney. "Halvere kostnadene ved kvantetilsetning". Quantum 2, 74 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-06-18-74

[40] Jiasu Wang, Yulong Dong og Lin Lin. "Om energilandskapet til symmetrisk kvantesignalbehandling". Quantum 6, 850 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-11-03-850

[41] Guang Hao lav. "Kvantesignalbehandling ved enkelt-qubit-dynamikk". PhD-avhandling. Massachusetts Institute of Technology. (2017).

[42] Yulong Dong, Xiang Meng, K. Birgitta Whaley og Lin Lin. "Effektiv fasefaktorevaluering i kvantesignalbehandling". Physical Review A 103, 042419 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.103.042419

[43] Yulong Dong, Lin Lin, Hongkang Ni og Jiasu Wang. "Uendelig kvantesignalbehandling" (2022). arXiv:2209.10162.
arxiv: 2209.10162

[44] Diptarka Hait og Martin Head-Gordon. "Hvor nøyaktig er tetthetsfunksjonsteori til å forutsi dipolmomenter? En vurdering ved hjelp av en ny database med 200 referanseverdier”. 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 og Garnet Kin-Lic Chan. "Nyligere utviklinger i PySCF-programpakken". The 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 og Garnet Kin-Lic Chan. "Pyscf: de pythonbaserte simuleringene av kjemirammeverk". WIREs Computational Molecular Science 8, e1340 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1002 / wcms.1340

[47] Huanchen Zhai og Garnet Kin-Lic Chan. "Lav kommunikasjon høy ytelse ab initio tetthet matrise renormalisering gruppe algoritmer". J. Chem. Phys. 154, 224116 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0050902

[48] Dominik Marx og Jurg Hutter. "Ab initio molekylær dynamikk: teori og implementering". Moderne metoder og algoritmer for kvantekjemi 1, 141 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511609633

[49] JC Slater. "Den viriale og molekylære strukturen". The Journal of Chemical Physics 1, 687–691 (1933).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1749227

[50] Jeffrey Cohn, Mario Motta og Robert M. Parrish. "Kvantefilterdiagonalisering med komprimerte dobbeltfaktoriserte hamiltonianere". PRX Quantum 2, 040352 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040352

[51] Guang Hao Low, Vadym Kliuchnikov og Luke Schaeffer. "Handle T-porter for skitne qubits i tilstandsforberedelse og enhetlig syntese" (2018). arXiv:1812.00954.
arxiv: 1812.00954

Sitert av

[1] Ignacio Loaiza og Artur F. Izmaylov, "Block-Invariant Symmetry Shift: Preprocessing Technique for Second-Quantized Hamiltonians to Improve their Decompositions to Linear Combination of Unitaries", Journal of Chemical Theory and Computation 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 og Fernando GSL Brandão, "Kvantealgoritmer: En undersøkelse av applikasjoner og ende-til-ende kompleksitet", 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 og Michael Streif, “Fault. -tolerant kvantealgoritme for symmetritilpasset forstyrrelsesteori", arxiv: 2305.07009, (2023).

[4] Sophia Simon, Raffaele Santagati, Matthias Degroote, Nikolaj Moll, Michael Streif og Nathan Wiebe, "Forbedret presisjonsskalering for simulering av koblet kvante-klassisk dynamikk", arxiv: 2307.13033, (2023).

[5] Ignacio Loaiza og Artur F. Izmaylov, "Block-Invariant Symmetry Shift: Preprocessing technique for second-quantized Hamiltonians to improve their decompositions to Linear Combination of Unitaries", arxiv: 2304.13772, (2023).

Sitatene ovenfor er fra Crossrefs siterte tjeneste (sist oppdatert vellykket 2023-11-13 12:50:11) og SAO / NASA ADS (sist oppdatert vellykket 2023-11-13 12:50:12). Listen kan være ufullstendig fordi ikke alle utgivere gir passende og fullstendige sitasjonsdata.

Denne artikkelen er utgitt i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) tillatelse. Opphavsrett forblir hos de opprinnelige rettighetshaverne som forfatterne eller institusjonene deres.

Tidstempel:

Mer fra Kvantejournal