Dzianie obwodów z ograniczonym napowietrzeniem dla wariacyjnej dynamiki kwantowej

Dzianie obwodów z ograniczonym napowietrzeniem dla wariacyjnej dynamiki kwantowej

Znacznik czasu: 21 marca 2024 1:06

Gian Gentinetta, Fryderyka Metz, Giuseppe Carleo

Instytut Fizyki, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lozanna, Szwajcaria
Centrum Nauki i Inżynierii Kwantowej, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lozanna, Szwajcaria

Czy ten artykuł jest interesujący czy chcesz dyskutować? Napisz lub zostaw komentarz do SciRate.

Abstrakcyjny

Symulowanie dynamiki dużych układów kwantowych to ogromne, ale istotne przedsięwzięcie mające na celu głębsze zrozumienie zjawisk mechaniki kwantowej. Chociaż komputery kwantowe są bardzo obiecujące w zakresie przyspieszenia takich symulacji, ich praktyczne zastosowanie pozostaje utrudnione ze względu na ograniczoną skalę i wszechobecny hałas. W tej pracy proponujemy podejście, które pozwala sprostać tym wyzwaniom, wykorzystując łączenie obwodów w celu podzielenia dużego systemu kwantowego na mniejsze podsystemy, z których każdy można symulować na osobnym urządzeniu. Ewolucją systemu zarządza algorytm przewidywanej wariacyjnej dynamiki kwantowej (PVQD), uzupełniony ograniczeniami nałożonymi na parametry wariacyjnego obwodu kwantowego, zapewniając, że narzut próbkowania narzucony przez schemat łączenia obwodów pozostaje kontrolowany. Testujemy naszą metodę na kwantowych układach spinowych z wieloma słabo splątanymi blokami, z których każdy składa się z silnie skorelowanych spinów, gdzie jesteśmy w stanie dokładnie symulować dynamikę, utrzymując jednocześnie kontrolowany narzut próbkowania. Ponadto pokazujemy, że tę samą metodę można zastosować do zmniejszenia głębokości obwodu poprzez przecięcie bramek dalekiego zasięgu.

Łączenie obwodów z ograniczonym napowietrzeniem dla wariacyjnej dynamiki kwantowej PlatoBlockchain Data Intelligence. Wyszukiwanie pionowe. AI.

Wyróżniony obraz: Ewoluujemy stan $|psi(varphi_{t-1})rangle$ o krok czasowy $Delta t$, zachowując stałą strukturę ansatz. Osiąga się to poprzez optymalizację parametrów wariacyjnych $varphi$ w taki sposób, że wierność pomiędzy stanem rozwiniętym $e^{-iHDelta t}|psi(varphi_{t-1})rangle$ i ansatz $|psi(varphi)rangle$ jest zmaksymalizowane. Aby zmierzyć wierność urządzeń kwantowych, przecięliśmy globalny obwód kwantowy na podobwody za pomocą dziania obwodów. Dzieje się to kosztem narzutu $omega(varphi)$ na próbkowanie, który zależy od parametrów wariacyjnych. Aby kontrolować narzut, rzutujemy parametry z powrotem do podprzestrzeni, w której $omega(varphi) leq tau$ dla pewnego progu $tau$ po każdym kroku optymalizacji.

Popularne podsumowanie

W tej pracy symulujemy dynamikę w czasie rzeczywistym kwantowych układów wielociałowych składających się z wielu słabo skorelowanych podsystemów, rozdzielając podsystemy na kilka urządzeń kwantowych. Osiąga się to za pomocą techniki zwanej łączeniem obwodów, która rozkłada globalny kanał kwantowy na kanały realizowane lokalnie poprzez rozkład quasi-prawdopodobieństwa. Kosztem narzutu w liczbie pomiarów pozwala to na klasyczną rekonstrukcję splątania pomiędzy różnymi podsystemami. Ogólnie rzecz biorąc, narzut próbkowania rośnie wykładniczo w czasie symulacji ze względu na rosnące z czasem splątanie między podsystemami.

Głównym wkładem naszej pracy jest modyfikacja wariacyjnego algorytmu ewolucji czasu kwantowego (PVQD), ograniczając parametry wariacyjne do podprzestrzeni, w której wymagany narzut próbkowania pozostaje poniżej możliwego do zarządzania progu. Pokazujemy, że dzięki temu algorytmowi optymalizacji z ograniczeniami osiągamy wysoką dokładność ewolucji czasowej kwantowych układów spinowych dla realistycznych progów. Dokładność symulacji można kontrolować poprzez dostrojenie tego nowego hiperparametru, co pozwala na uzyskanie optymalnych wyników przy stałym budżecie całkowitych zasobów kwantowych.

► Dane BibTeX

► Referencje

[1] Richarda P. Feynmana. „Symulowanie fizyki za pomocą komputerów”. International Journal of Theoretical Physics 21, 467–488 (1982).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02650179

[2] Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takita, Markus Brink, Jerry M. Chow i Jay M. Gambetta. „Wydajne sprzętowo wariacyjne kwantowe narzędzie własne dla małych cząsteczek i magnesów kwantowych”. Przyroda 549, 242–246 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23879

[3] A. Chiesa, F. Tacchino, M. Grossi, P. Santini, I. Tavernelli, D. Gerace i S. Carretta. „Sprzęt kwantowy symulujący czterowymiarowe niesprężyste rozpraszanie neutronów”. Fizyka przyrody 15, 455–459 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-019-0437-4

[4] Frank Arute i in. „Hartree-fock o nadprzewodzącym kubitowym komputerze kwantowym”. Nauka 369, 1084–1089 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.abb9811

[5] Frank Arute i in. „Obserwacja rozdzielonej dynamiki ładunku i spinu w modelu Fermiego-Hubbarda” (2020). arXiv:2010.07965.
arXiv: 2010.07965

[6] C. Neill i in. „Dokładne obliczanie właściwości elektronicznych pierścienia kwantowego”. Natura 594, 508–512 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-021-03576-2

[7] J. Zhang, G. Pagano, PW Hess, A. Kyprianidis, P. Becker, H. Kaplan, AV Gorszkow, ZX Gong i C. Monroe. „Obserwacja dynamicznego przejścia fazowego wielu ciał za pomocą 53-kubitowego symulatora kwantowego”. Natura 551, 601–604 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature24654

[8] James Dborin, Vinul Wimalaweera, F. Barratt, Eric Ostby, Thomas E. O'Brien i AG Green. „Symulacja stanu podstawowego i dynamicznych kwantowych przejść fazowych na nadprzewodzącym komputerze kwantowym”. Nature Communications 13, 5977 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-022-33737-4

[9] Sepehr Ebadi, Tout T. Wang, Harry Levine, Alexander Keesling, Giulia Semeghini, Ahmed Omran, Dolev Bluvstein, Rhine Samajdar, Hannes Pichler, Wen Wei Ho, Soonwon Choi, Subir Sachdev, Markus Greiner, Vladan Vuletić i Mikhail D. Lukin . „Fazy kwantowe materii na 256-atomowym programowalnym symulatorze kwantowym”. Przyroda 595, 227–232 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-021-03582-4

[10] Ehuda Altmana. „Lokalizacja wielu ciał i termalizacja kwantowa”. Fizyka przyrody 14, 979–983 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-018-0305-7

[11] Wibe A. de Jong, Kyle Lee, James Mulligan, Mateusz Płoskoń, Felix Ringer i Xiaojun Yao. „Kwantowa symulacja dynamiki nierównowagowej i termalizacja w modelu Schwingera”. Fiz. Rev. D 106, 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 i Abhinav Kandala. „Dowody na użyteczność obliczeń kwantowych przed odpornością na uszkodzenia”. Natura 618, 500–505 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-023-06096-3

[13] Andrew M. Childs, Dmitri Maslov, Yunseong Nam, Neil J. Ross i Yuan Su. „W kierunku pierwszej symulacji kwantowej z przyspieszeniem kwantowym”. Proceedings of the National Academy of Sciences 115, 9456–9461 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1801723115

[14] Ryan Babbush, Craig Gidney, Dominic W. Berry, Nathan Wiebe, Jarrod McClean, Alexandru Paler, Austin Fowler i Hartmut Neven. „Kodowanie widm elektronowych w obwodach kwantowych o złożoności liniowej t”. Fiz. Rev. X 8, 041015 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[15] Yunseong Nam i Dmitri Maslov. „Tanie obwody kwantowe dla klasycznie trudnych przypadków problemu symulacji dynamiki Hamiltona”. npj Informacje kwantowe 5, 44 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0152-0

[16] Mario Motta, Erika Ye, Jarrod R. McClean, Zhendong Li, Austin J. Minnich, Ryan Babbush i Garnet Kin-Lic Chan. „Reprezentacje niskiej rangi do symulacji kwantowej struktury elektronowej”. npj Quantum Information 7, 83 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-021-00416-z

[17] Jaya Gambetta. „Rozszerzanie planu działania IBM Quantum w celu przewidywania przyszłości superkomputerów kwantocentrycznych”. adres URL: https://​/​research.ibm.com/​blog/​ibm-quantum-roadmap-2025.
https://​/​research.ibm.com/​blog/​ibm-quantum-roadmap-2025

[18] Johna Preskilla. „Obliczenia kwantowe w erze NISQ i poza nią”. Quantum 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[19] Sergey Bravyi, Graeme Smith i John A. Smolin. „Handel klasycznymi i kwantowymi zasobami obliczeniowymi”. Fiz. Rev. X 6, 021043 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.021043

[20] Tianyi Peng, Aram W. Harrow, Maris Ozols i Xiaodi Wu. „Symulowanie dużych obwodów kwantowych na małym komputerze kwantowym”. fizyka Wielebny Lett. 125, 150504 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.150504

[21] Kosuke Mitarai i Keisuke Fujii. „Konstruowanie wirtualnej bramki z dwoma kubitami poprzez próbkowanie operacji na pojedynczym kubicie”. New Journal of Physics 23, 023021 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / abd7bc

[22] Kosuke Mitarai i Keisuke Fujii. „Narzuty związane z symulacją kanału nielokalnego z kanałami lokalnymi poprzez próbkowanie quasiprawdopodobieństwa”. Kwant 5, 388 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-28-388

[23] Christophe Piveteau i David Sutter. „Dzianie obwodowe z komunikacją klasyczną”. Transakcje IEEE dotyczące teorii informacji, strona 1–1 (2024).
https: / / doi.org/ 10.1109 / tit.2023.3310797

[24] Zhuo Fan i Quan-lin Jie. „Teoria osadzania macierzy gęstości skupień w kwantowych układach spinowych”. Fiz. Rev. B 91, 195118 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.91.195118

[25] Klaas Gunst, Sebastian Wouters, Stijn De Baerdemacker i Dimitri Van Neck. „Teoria osadzania macierzy gęstości produktu blokowego dla silnie skorelowanych układów spinowych”. Fiz. Rev. B 95, 195127 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.95.195127

[26] Takeshi Yamazaki, Shunji Matsuura, Ali Narimani, Anushervon Saidmuradov i Arman Zaribafiyan. „W kierunku praktycznego zastosowania krótkoterminowych komputerów kwantowych w symulacjach chemii kwantowej: podejście do rozkładu problemów” (2018). arXiv:1806.01305.
arXiv: 1806.01305

[27] Max Rossmannek, Panagiotis Kl. Barkoutsos, Pauline J. Ollitrault i Ivano Tavernelli. „Kwantowe algorytmy osadzania HF/​DFT do obliczeń struktury elektronowej: Skalowanie do złożonych układów molekularnych”. The 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 i Sarah Sheldon. „Podwojenie rozmiaru symulatorów kwantowych poprzez kucie splątania”. PRX Quantum 3, 010309 (2022).
https: // doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010309

[29] Patricka Huembeli, Giuseppe Carleo i Antonio Mezzacapo. „Kucie splątania z generatywnymi modelami sieci neuronowych” (2022). arXiv:2205.00933.
arXiv: 2205.00933

[30] Paulin de Schoulepnikoff, Oriel Kiss, Sofia Vallecorsa, Giuseppe Carleo i Michele Grossi. „Hybrydowe algorytmy kwantowe stanu podstawowego oparte na neuronowym kuciu Schrödingera” (2023). arXiv:2307.02633.
arXiv: 2307.02633

[31] Abigail McClain Gomez, Taylor L. Patti, Anima Anandkumar i Susanne F. Yelin. „Near-term rozproszone obliczenia kwantowe z wykorzystaniem poprawek pola średniego i kubitów pomocniczych” (2023). arXiv:2309.05693.
arXiv: 2309.05693

[32] Stefano Barison, Filippo Vicentini i Giuseppe Carleo. „Osadzanie klasycznych metod wariacyjnych w obwodach kwantowych” (2023). arXiv:2309.08666.
arXiv: 2309.08666

[33] Xiao Yuan, Jinzhao Sun, Junyu Liu, Qi Zhao i You Zhou. „Symulacja kwantowa z hybrydowymi sieciami tensorowymi”. fizyka Wielebny Lett. 127, 040501 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.040501

[34] Jinzhao Sun, Suguru Endo, Huiping Lin, Patrick Hayden, Vlatko Vedral i Xiao Yuan. „Perturbacyjna symulacja kwantowa”. Fiz. Wielebny Lett. 129, 120505 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.120505

[35] J. Eisert, M. Cramer i MB Plenio. „Kolokwium: Prawa powierzchniowe dla entropii splątania”. Wielebny Mod. Fiz. 82, 277–306 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.82.277

[36] Ulrich Schollwöck. „Grupa renormalizacji macierzy gęstości w dobie stanów iloczynu macierzy”. 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 i Lei Wang. „Wariacyjne kwantowe narzędzie własne z mniejszą liczbą kubitów”. fizyka Ks. Rez. 1, 023025 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.1.023025

[38] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C. Benjamin i Xiao Yuan. „Kwantowa chemia obliczeniowa”. Wielebny Mod. fizyka 92, 015003 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.015003

[39] G. Kotliar, SY Savrasov, K. Haule, VS Oudovenko, O. Parcollet i CA Marianetti. „Obliczenia struktury elektronowej z dynamiczną teorią pola średniego”. Recenzje Modern Physics 78, 865–951 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / revmodphys.78.865

[40] Qiming Sun i Granat Kin-Lic Chan. „Kwantowe teorie osadzania”. Rachunki badań chemicznych 49, 2705–2712 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acs.accounts.6b00356

[41] Stefano Barison, Filippo Vicentini i Giuseppe Carleo. „Efektywny algorytm kwantowy do ewolucji czasowej układów sparametryzowanych”. Kwant 5, 512 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-07-28-512

[42] PAM Dirac. „Uwaga dotycząca zjawisk wymiany w atomie Tomasza”. Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 26, 376–385 (1930).
https: / / doi.org/ 10.1017 / S0305004100016108

[43] Jakub Frenkel. „Mechanika falowa: zaawansowana teoria ogólna”. Londyn: Oxford University Press. (1934).
https: / / doi.org/ 10.1017 / s0025557200203604

[44] AD McLachlana. „Wariacyjne rozwiązanie równania Schrodingera zależnego od czasu”. Fizyka molekularna 8, 39–44 (1964).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00268976400100041

[45] Xiao Yuan, Suguru Endo, Qi Zhao, Ying Li i Simon C. Benjamin. „Teoria wariacyjnej symulacji kwantowej”. Kwant 3, 191 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-10-07-191

[46] Julien Gacon, Jannes Nys, Riccardo Rossi, Stefan Woerner i Giuseppe Carleo. „Wariacyjna ewolucja czasu kwantowego bez kwantowego tensora geometrycznego”. Badania przeglądu fizycznego 6 (2024).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.6.013143

[47] R. Cleve, A. Ekert, C. Macchiavello i M. Mosca. „Algorytmy kwantowe na nowo”. Proceedings of Royal Society of London. Seria A: Nauki matematyczne, fizyczne i inżynieryjne 454, 339–354 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.1998.0164

[48] Vojtěch Havlíček, Antonio D. Córcoles, Kristan Temme, Aram W. Harrow, Abhinav Kandala, Jerry M. Chow i Jay M. Gambetta. „Nadzorowane uczenie się z przestrzeniami cech wzmocnionymi kwantowo”. Natura 567, 209–212 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-0980-2

[49] M. Cerezo, Akira Sone, Tyler Volkoff, Łukasz Cincio i Patrick J. Coles. „Jałowe płaskowyże zależne od funkcji kosztów w płytkich sparametryzowanych obwodach kwantowych”. Komunikaty natury 12, 1791 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-021-21728-w

[50] Tobiasa Hauga i MS Kim. „Optymalne szkolenie wariacyjnych algorytmów kwantowych bez jałowych plateau” (2021). arXiv:2104.14543.
arXiv: 2104.14543

[51] Lukas Schmitt, Christophe Piveteau i David Sutter. „Obwody tnące z wieloma unitarami dwukubitowymi” (2023). arXiv:2312.11638.
arXiv: 2312.11638

[52] Christian Ufrecht, Laura S. Herzog, Daniel D. Scherer, Maniraman Periyasamy, Sebastian Rietsch, Axel Plinge i Christopher Mutschler. „Optymalne cięcie złącza dwukubitowych bramek obrotowych” (2023). arXiv:2312.09679.
arXiv: 2312.09679

[53] Diederik P. Kingma i Jimmy Ba. „Adam: metoda optymalizacji stochastycznej” (2017). arXiv:1412.6980.
arXiv: 1412.6980

[54] Michaela A. Nielsena i Isaaca L. Chuanga. „Obliczenia kwantowe i informacje kwantowe: wydanie z okazji 10. rocznicy”. Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. (2010).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[55] Sajant Anand, Kristan Temme, Abhinav Kandala i Michael Zaletel. „Klasyczny benchmarking zerowej ekstrapolacji hałasu poza dokładnie sprawdzalny reżim” (2023). arXiv:2306.17839.
arXiv: 2306.17839

[56] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J. Love, Alán Aspuru-Guzik i Jeremy L. O'Brien. „Rozwiązywanie wariacyjnej wartości własnej na fotonicznym procesorze kwantowym”. Nature Communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[57] Tuhin Khare, Ritajit Majumdar, Rajiv Sangle, Anupama Ray, Padmanabha Venkatagiri Seshadri i Yogesh Simmhan. „Równoległe obciążenia kwantowo-klasyczne: profilowanie wpływu technik podziału” (2023). arXiv:2305.06585.
arXiv: 2305.06585

[58] Sebastian Brandhofer, Ilia Polian i Kevin Krsulich. „Optymalny podział obwodów kwantowych za pomocą cięć bramkowych i cięć drutowych” (2023). arXiv:2308.09567.
arXiv: 2308.09567

[59] Daniele Cuomo, Marcello Caleffi i Angela Sara Cacciapuoti. „W kierunku rozproszonego ekosystemu obliczeń kwantowych”. Komunikat kwantowy IET 1, 3–8 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1049/​iet-qtc.2020.0002

[60] Jeff Bezanson, Alan Edelman, Stefan Karpiński i Viral B Shah. „Julia: Świeże podejście do obliczeń numerycznych”. Przegląd SIAM 59, 65–98 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 141000671

[61] Xiu-Zhe Luo, Jin-Guo Liu, Pan Zhang i Lei Wang. „Yao.jl: rozszerzalna, wydajna platforma do projektowania algorytmów kwantowych”. Kwant 4, 341 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-10-11-341

[62] Gian Gentinetta, Friederike Metz i Giuseppe Carleo. „Kod rękopisu Dzianie obwodów z ograniczeniami napowietrznymi dla wariacyjnej dynamiki kwantowej”. GitHub (2024).
https: / / doi.org/ 10.5281 / zenodo.10829066

Cytowany przez

[1] Travis L. Scholten, Carl J. Williams, Dustin Moody, Michele Mosca, William Hurley, William J. Zeng, Matthias Troyer i Jay M. Gambetta, „Assessing the Benefits and Risks of Quantum Computers”, arXiv: 2401.16317, (2024).

[2] Julien Gacon, „Skalowalne algorytmy kwantowe dla hałaśliwych komputerów kwantowych”, arXiv: 2403.00940, (2024).

Powyższe cytaty pochodzą z Reklamy SAO / NASA (ostatnia aktualizacja pomyślnie 2024-03-22 05:07:54). Lista może być niekompletna, ponieważ nie wszyscy wydawcy podają odpowiednie i pełne dane cytowania.

On Serwis cytowany przez Crossref nie znaleziono danych na temat cytowania prac (ostatnia próba 2024-03-22 05:07:53).

Niniejszy artykuł opublikowano w Quantum pod Creative Commons Uznanie autorstwa 4.0 Międzynarodowe (CC BY 4.0) licencja. Prawa autorskie należą do pierwotnych właścicieli praw autorskich, takich jak autorzy lub ich instytucje.

Znak czasu:

Więcej z Dziennik kwantowy