Romtidseffektiv lavdybde kvantetilstandsforberedelse med applikasjoner

Publisert av Platon

Følgere: 0

Kaiwen Gui^1,2,3, Alexander M. Dalzell⁴, Alessandro Achille⁵, Martin Suchara¹, og Frederic T. Chong³

¹Amazon Web Services, WA, USA
²Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago, IL, USA
³Institutt for informatikk, University of Chicago, IL, USA
⁴AWS Center for Quantum Computing, Pasadena, CA, USA
⁵AWS AI Labs, Pasadena, CA, USA

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

Abstrakt

Vi foreslår en ny deterministisk metode for å forberede vilkårlige kvantetilstander. Når protokollen vår er kompilert inn i CNOT og vilkårlige enkelt-qubit-porter, forbereder den en $N$-dimensjonal tilstand i dybden $O(log(N))$ og $textit{spacetime allocation}$ (en beregning som står for det faktum at noen ancilla qubits ofte ikke trenger å være aktive for hele kretsen) $O(N)$, som begge er optimale. Når det kompileres inn i ${mathrm{H,S,T,CNOT}}$-portsettet, viser vi at det krever asymptotisk færre kvanteressurser enn tidligere metoder. Nærmere bestemt forbereder den en vilkårlig tilstand opp til feilen $epsilon$ med optimal dybde på $O(log(N) + log (1/epsilon))$ og romtidsallokering $O(Nlog(log(N)/epsilon))$ , forbedrer over henholdsvis $O(log(N)log(log (N)/epsilon))$ og $O(Nlog(N/epsilon))$. Vi illustrerer hvordan den reduserte romtidsallokeringen av protokollen vår muliggjør rask forberedelse av mange usammenhengende tilstander med bare konstantfaktor ancilla-overhead – $O(N)$ ancilla-qubits gjenbrukes effektivt for å forberede en produkttilstand på $w$ $N$-dimensjonal stater i dybden $O(w + log(N))$ i stedet for $O(wlog(N))$, og oppnår effektivt konstant dybde per tilstand. Vi fremhever flere applikasjoner der denne evnen vil være nyttig, inkludert kvantemaskinlæring, Hamilton-simulering og løsning av lineære ligningssystemer. Vi gir kvantekretsbeskrivelser av protokollen vår, detaljert pseudokode og implementeringseksempler på gatenivå ved å bruke Braket.

Spacetime-Efficient Low-Depth Quantum State Preparation with Applications PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

► BibTeX-data

@article{Gui2024spacetimeefficient, doi = {10.22331/q-2024-02-15-1257}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2024-02-15-1257}, tittel = {Spacetime- {E}effektiv {L}ow-{D}epth {Q}uantum {S}tate {P}forberedelse med {A}applikasjoner}, forfatter = {Gui, Kaiwen og Dalzell, Alexander M. og Achille, Alessandro og Suchara , Martin og Chong, Frederic T.}, tidsskrift = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, utgiver = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volum = {8}, sider = {1257}, måned = feb, år = {2024} }

► Referanser

[1] Jacob Biamonte, Peter Wittek, Nicola Pancotti, Patrick Rebentrost, Nathan Wiebe og Seth Lloyd. "Kvantemaskinlæring". Nature 549, 195–202 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23474

[2] Seth Lloyd, Masoud Mohseni og Patrick Rebentrost. "Analyse av kvantehovedkomponenter". Nature Physics 10, 631–633 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys3029

[3] Iordanis Kerenidis og Anupam Prakash. "Kvanteanbefalingssystemer". I 8th Innovations in Theoretical Computer Science Conference (ITCS 2017). Bind 67 av Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs), side 49:1–49:21. (2017).
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.ITCS.2017.49

[4] Patrick Rebentrost, Adrian Steffens, Iman Marvian og Seth Lloyd. "Kvante-singular-verdi dekomponering av ikke-sparsomme matriser med lav rang". Fysisk gjennomgang A 97, 012327 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.012327

[5] Iordanis Kerenidis, Jonas Landman, Alessandro Luongo og Anupam Prakash. "q-betyr: En kvantealgoritme for uovervåket maskinlæring". Fremskritt innen nevrale informasjonsbehandlingssystemer (2019).
https://proceedings.neurips.cc/paper/2019/hash/16026d60ff9b54410b3435b403afd226-Abstract.html

[6] Iordanis Kerenidis og Jonas Landman. "Kvantespektral klynging". Physical Review A 103, 042415 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.042415

[7] Patrick Rebentrost, Masoud Mohseni og Seth Lloyd. "Kvantestøttevektormaskin for klassifisering av store data". Fysisk vurderingsbrev 113, 130503 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.113.130503

[8] Maria Schuld og Francesco Petruccione. "Maskinlæring med kvantedatamaskiner". Springer. (2021).
https://doi.org/10.1007/978-3-030-83098-4

[9] Dominic W Berry, Andrew M Childs, Richard Cleve, Robin Kothari og Rolando D Somma. "Simulerer Hamilton-dynamikk med en avkortet Taylor-serie". Fysisk vurderingsbrev 114, 090502 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.090502

[10] Dominic W Berry, Andrew M Childs og Robin Kothari. "Hamiltonsk simulering med nesten optimal avhengighet av alle parametere". I 2015 IEEE 56. årlige symposium om grunnlaget for informatikk. Side 792–809. IEEE (2015).
https: / / doi.org/ 10.1109 / FOCS.2015.54

[11] Guang Hao Low og Isaac L Chuang. "Optimal Hamiltonian simulering ved kvantesignalbehandling". Fysisk vurderingsbrev 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501

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

[13] Aram W Harrow, Avinatan Hassidim og Seth Lloyd. "Kvantealgoritme for lineære ligningssystemer". Fysisk vurderingsbrev 103, 150502 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502

[14] Andris Ambainis. "Variabel tidsamplitudeforsterkning og kvantealgoritmer for lineære algebraproblemer". I STACS'12 (29. Symposium on Theoretical Aspects of Computer Science). Bind 14, side 636–647. LIPIcs (2012).
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.STACS.2012.636

[15] Leonard Wossnig, Zhikuan Zhao og Anupam Prakash. "Quantelineær systemalgoritme for tette matriser". Fysisk vurderingsbrev 120, 050502 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.050502

[16] Guang Hao Low, Vadym Kliuchnikov og Luke Schaeffer. "Handle T-porter for skitne qubits i tilstandsforberedelse og enhetlig syntese". arXiv.1812.00954 (2018).
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1812.00954

[17] Xiaoming Sun, Guojing Tian, Shuai Yang, Pei Yuan og Shengyu Zhang. "Asymptotisk optimal kretsdybde for forberedelse av kvantetilstand og generell enhetlig syntese". IEEE Transactions on Computer Aided Design of Integrated Circuits and Systems (2023).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TCAD.2023.3244885

[18] Pei Yuan og Shengyu Zhang. "Optimal (kontrollert) kvantetilstandsforberedelse og forbedret enhetlig syntese av kvantekretser med et hvilket som helst antall hjelpekvbitter". Quantum 7, 956 (2023).
https://doi.org/10.22331/q-2023-03-20-956

[19] Xiao-Ming Zhang, Tongyang Li og Xiao Yuan. "Kvantetilstandsforberedelse med optimal kretsdybde: Implementeringer og applikasjoner". Physical Review Letters 129, 230504 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.230504

[20] B David Clader, Alexander M Dalzell, Nikitas Stamatopoulos, Grant Salton, Mario Berta og William J Zeng. "Kvanteressurser kreves for å blokkkode en matrise av klassiske data". IEEE Transactions on Quantum Engineering (2023).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2022.3231194

[21] Gregory Rosenthal. "Spørring og dybde øvre grenser for kvanteenheter via grover-søk". arXiv.2111.07992 (2021).
https:///doi.org/10.48550/arXiv.2111.07992

[22] Neil J. Ross og Peter Selinger. "Optimal ancilla-fri Clifford+T-tilnærming av z-rotasjoner". Kvanteinformasjon. Comput. (2016).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 3179330.3179331

[23] 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

[24] Israel F Araujo, Daniel K Park, Francesco Petruccione og Adenilton J da Silva. "En del-og-hersk-algoritme for forberedelse av kvantetilstand". Vitenskapelige rapporter 11, 1–12 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41598-021-85474-1

[25] Vivek V. Shende og Igor L. Markov. "På CNOT-kostnaden til TOFFOLI-porter". Kvanteinformasjon. Comput. (2009).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 2011791.2011799

[26] John A Smolin og David P DiVincenzo. "Fem to-bits kvanteporter er tilstrekkelig til å implementere kvante-Fredkin-porten". Physical Review A 53, 2855 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.53.2855

[27] Edward Walker. "Den virkelige kostnaden for en CPU-time". Computer 42, 35–41 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1109 / MC.2009.135

[28] Yongshan Ding, Xin-Chuan Wu, Adam Holmes, Ash Wiseth, Diana Franklin, Margaret Martonosi og Frederic T Chong. "Square: Strategisk kvanteancilla gjenbruk for modulære kvanteprogrammer via kostnadseffektiv uncomputation". I 2020 ACM/IEEE 47th Annual International Symposium on Computer Architecture (ISCA). Side 570–583. IEEE (2020).
https:///doi.org/10.1109/ISCA45697.2020.00054

[29] Martin Plesch og Časlav Brukner. "Kvantetilstandsforberedelse med universelle portnedbrytninger". Phys. Rev. A 83, 032302 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.032302

[30] Xiao-Ming Zhang og Xiao Yuan. "Om kretskompleksitet av kvantetilgangsmodeller for koding av klassiske data". arXiv.2311.11365 (2023).
https:///doi.org/10.48550/arXiv.2311.11365

[31] Michael A Nielsen og Isaac Chuang. "Kvanteberegning og kvanteinformasjon". American Association of Physics Teachers. (2002).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[32] Sebastian Ruder. "En oversikt over algoritmer for optimalisering av gradientnedstigning". arXiv.1609.04747 (2016).
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1609.04747

[33] Andrew M Childs, Dmitri Maslov, Yunseong Nam, Neil J Ross og Yuan Su. "Mot den første kvantesimuleringen med kvantehastighet". Proceedings of the National Academy of Sciences 115, 9456–9461 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1801723115

[34] Shantanav Chakraborty, András Gilyén og Stacey Jeffery. "Kraften til blokkkodede matrisekrefter: Forbedrede regresjonsteknikker via raskere Hamilton-simulering". I Proceedings of the 46th International Colloquium on Automata, Languages and Programming (ICALP). Side 33:1–33:14. (2019).
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.ICALP.2019.33

[35] András Gilyén, Yuan Su, Guang Hao Low og Nathan Wiebe. "Kvante singular verditransformasjon og utover: Eksponentielle forbedringer for kvantematrisearitmetikk". I Proceedings of the 51st ACM Symposium on the Theory of Computing (STOC). Side 193–204. (2019).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3313276.3316366

[36] Trygve Helgaker, Poul Jorgensen, og Jeppe Olsen. "Molekylær elektronisk strukturteori". John Wiley og sønner. (2013).
https: / / doi.org/ 10.1002 / 9781119019572

[37] Mario Motta, Tanvi P Gujarati, Julia E Rice, Ashutosh Kumar, Conner Masteran, Joseph A Latone, Eunseok Lee, Edward F Valeev og Tyler Y Takeshita. "Kvantesimulering av elektronisk struktur med en transkorrelert Hamiltonian: forbedret nøyaktighet med et mindre fotavtrykk på kvantedatamaskinen". Physical Chemistry Chemical Physics 22, 24270–24281 (2020).
https:///doi.org/10.1039/D0CP04106H

[38] Sam McArdle og David P Tew. "Forbedre nøyaktigheten av kvanteberegningskjemi ved å bruke den transkorrelerte metoden". arXiv.2006.11181 (2020).
https:///doi.org/10.48550/arXiv.2006.11181

[39] Sebastien Bubeck, Sitan Chen og Jerry Li. "Entanglement er nødvendig for optimal kvanteegenskapstesting". I 2020 IEEE 61st Annual Symposium on Foundations of Computer Science (FOCS). Side 692–703. IEEE (2020).
https: / / doi.org/ 10.1109 / FOCS46700.2020.00070

[40] Sitan Chen, Jordan Cotler, Hsin-Yuan Huang og Jerry Li. "Eksponentielle separasjoner mellom læring med og uten kvanteminne". I 2021 IEEE 62nd Annual Symposium on Foundations of Computer Science (FOCS). Side 574–585. IEEE (2022).
https: / / doi.org/ 10.1109 / FOCS52979.2021.00063

[41] Hsin-Yuan Huang, Michael Broughton, Jordan Cotler, Sitan Chen, Jerry Li, Masoud Mohseni, Hartmut Neven, Ryan Babbush, Richard Kueng, John Preskill, et al. "Kvantefordel ved å lære fra eksperimenter". Science 376, 1182–1186 (2022).
https:///doi.org/10.1126/science.abn7293

[42] Jonathan Richard Shewchuk et al. "En introduksjon til konjugatgradientmetoden uten smertefull smerte". 1994 Teknisk rapport (1994).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 865018

[43] Ashley Montanaro og Sam Pallister. "Kvantealgoritmer og den endelige elementmetoden". Physical Review A 93, 032324 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.93.032324

[44] Ashley Montanaro og Changpeng Shao. "Kvantekommunikasjonskompleksitet ved lineær regresjon". ACM Trans. Comput. Teori (2023).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3625225

[45] Yiğit Subaşi, Rolando D. Somma og Davide Orsucci. "Kvantealgoritmer for systemer med lineære ligninger inspirert av adiabatisk kvanteberegning". Phys. Rev. Lett. 122, 060504 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.060504

[46] Pedro CS Costa, Dong An, Yuval R Sanders, Yuan Su, Ryan Babbush og Dominic W Berry. "Optimal skaleringskvante-lineære systemløser via diskret adiabatisk teorem". PRX Quantum 3, 040303 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.040303

[47] 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/ 10.1017 / CBO9780511976667

[48] Craig Gidney. "Quirk: En dra-og-slipp kvantekretssimulator". https:///algassert.com/quirk (2016).
https:///algassert.com/quirk

[49] Alexander M Dalzell, B David Clader, Grant Salton, Mario Berta, Cedric Yen-Yu Lin, David A Bader, Nikitas Stamatopoulos, Martin JA Schuetz, Fernando GSL Brandão, Helmut G Katzgraber, et al. "Ende-til-ende ressursanalyse for kvanteinteriørpunktmetoder og porteføljeoptimalisering". PRX Quantum 4, 040325 (2023).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.4.040325

Sitert av

[1] 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).

[2] Raghav Jumade og Nicolas PD Sawaya, "Data kan ofte lastes ned i kort dybde: Kvantekretser fra tensornettverk for finans, bilder, væsker og proteiner", arxiv: 2309.13108, (2023).

[3] Gideon Lee, Connor T. Hann, Shruti Puri, SM Girvin og Liang Jiang, "Feilundertrykkelse for kvanteoperasjoner i vilkårlig størrelse av Black Box", Fysiske gjennomgangsbrev 131 19, 190601 (2023).

[4] Gregory Rosenthal, "Effektiv kvantetilstandssyntese med én spørring", arxiv: 2306.01723, (2023).

[5] Xiao-Ming Zhang og Xiao Yuan, "Om kretskompleksiteten til kvantetilgangsmodeller for koding av klassiske data", arxiv: 2311.11365, (2023).

Sitatene ovenfor er fra SAO / NASA ADS (sist oppdatert vellykket 2024-02-15 15:17:11). Listen kan være ufullstendig fordi ikke alle utgivere gir passende og fullstendige sitasjonsdata.

Kunne ikke hente Crossref sitert av data under siste forsøk 2024-02-15 15:17:09: Kunne ikke hente siterte data for 10.22331 / q-2024-02-15-1257 fra Crossref. Dette er normalt hvis DOI nylig ble registrert.

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.