Odporne na błędy obliczenia kwantowe obserwacji molekularnych

Odporne na błędy obliczenia kwantowe obserwacji molekularnych

Znacznik czasu: 6 listopada 2023 7:23

Marka Steudtnera1, Sam Morley-Short1, Williama Pola1, Sukin Sim1, Cristian L. Cortes2, Matthiasa Loipersbergera2, Roberta M. Parrisha2, Matthiasa Degroote’a3, Nikołaj Moll3, Raffaele Santagati3, Michaela Streifa3

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

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

Abstrakcyjny

W ciągu ostatnich trzydziestu lat znacznie obniżono koszty szacowania energii stanu podstawowego hamiltonianów molekularnych za pomocą komputerów kwantowych. Jednakże stosunkowo niewiele uwagi poświęcono szacowaniu wartości oczekiwanych innych obserwowalnych w odniesieniu do wspomnianych stanów podstawowych, co jest ważne w wielu zastosowaniach przemysłowych. W tej pracy prezentujemy nowatorski algorytm kwantowy szacowania wartości oczekiwanej (EVE), który można zastosować do szacowania wartości oczekiwanych dowolnych obserwabli w odniesieniu do dowolnego stanu własnego układu. W szczególności rozważamy dwa warianty EVE: std-EVE, oparty na standardowej estymacji fazy kwantowej, oraz QSP-EVE, który wykorzystuje techniki przetwarzania sygnału kwantowego (QSP). Zapewniamy rygorystyczną analizę błędów dla obu wariantów i minimalizujemy liczbę poszczególnych współczynników fazowych dla QSPEVE. Te analizy błędów umożliwiają nam oszacowanie zasobów kwantowych ze stałym współczynnikiem zarówno dla std-EVE, jak i QSP-EVE w różnych układach molekularnych i obiektach obserwacyjnych. W przypadku rozważanych systemów pokazujemy, że QSP-EVE zmniejsza liczbę bramek (Toffoli) nawet o trzy rzędy wielkości i zmniejsza szerokość kubitu nawet o 25% w porównaniu ze standardowym EVE. Chociaż szacowana liczba zasobów pozostaje zdecydowanie zbyt wysoka dla pierwszych generacji odpornych na awarie komputerów kwantowych, nasze szacunki są pierwszymi w swoim rodzaju zarówno pod względem zastosowania szacowania wartości oczekiwanej, jak i nowoczesnych technik opartych na QSP.

Odporne na błędy obliczenia kwantowe obserwacji molekularnych PlatoBlockchain Data Intelligence. Wyszukiwanie pionowe. AI.

► Dane BibTeX

► Referencje

[1] David Poulin, Matthew B. Hastings, Dave Wecker, Nathan Wiebe, Andrew C. Doberty i Matthias Troyer. „Wielkość kroku kłusaka wymagana do dokładnej symulacji kwantowej chemii kwantowej”. Informacje kwantowe. Oblicz. 15, 361–384 (2015).
https: / / doi.org/ 10.5555 / 2871401.2871402

[2] Markus Reiher, Nathan Wiebe, Krysta M. Svore, Dave Wecker i Matthias Troyer. „Wyjaśnienie mechanizmów reakcji na komputerach kwantowych”. 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 i Hartmut Neven. „Kodowanie widm elektronowych w obwodach kwantowych o liniowej złożoności T”. Przegląd fizyczny X 8, 041015 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[4] Dominic W. Berry, Craig Gidney, Mario Motta, Jarrod R. McClean i Ryan Babbush. „Kubityzacja dowolnej podstawy chemii kwantowej wykorzystująca rzadkość i faktoryzację niskiego rzędu”. Kwant 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 i Ryan Babbush. „Jeszcze bardziej wydajne obliczenia kwantowe chemii poprzez hiperkontrakcję tensorową”. PRX Quantum 2, 030305 (2021).
https: // doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030305

[6] Yuan Su, Dominic W. Berry, Nathan Wiebe, Nicholas Rubin i Ryan Babbush. „Odporne na błędy symulacje kwantowe chemii w pierwszej kwantyzacji”. 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 i Eunseok Lee. „Oszacowanie zasobów odpornych na uszkodzenia dla symulacji chemii kwantowej: studium przypadku dotyczące cząsteczek elektrolitu w akumulatorach litowo-jonowych”. Fiz. Rev. Research 4, 023019 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.023019

[8] Alain Delgado, Pablo A. M. Casares, Roberto dos Reis, Modjtaba Shokrian Zini, Roberto Campos, Norge Cruz-Hernández, Arne-Christian Voigt, Angus Lowe, Soran Jahangiri, M. A. Martin-Delgado, Jonathan E. Mueller i Juan Miguel Arrazola. „Symulacja kluczowych właściwości akumulatorów litowo-jonowych za pomocą odpornego na uszkodzenia komputera kwantowego”. Fiz. 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 i Matthias Troyer. „Kataliza obliczeniowa wzmocniona obliczeniami kwantowymi”. Fiz. Ks. 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 i Nicholas C. Rubin. „Wiarygodna ocena struktury elektronowej cytochromu p450 na współczesnych komputerach klasycznych i przyszłych komputerach kwantowych”. 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 i in. „Efektywne obliczenia kwantowe sił molekularnych i innych gradientów energii”. Fiz. Ks. Res. 4, 043210 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.043210

[12] Christophera J. Cramera. „Podstawy chemii obliczeniowej: teorie i modele”. Johna Wileya i synów. (2013). adres 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:+Teorie+i+Modele,+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, i Clemensa Utschiga-Utschiga. „Projektowanie leków na komputerach kwantowych” (2023). arXiv:2301.04114.
arXiv: 2301.04114

[14] Clifford W Fong. „Przepuszczalność bariery krew-mózg: molekularny mechanizm transportu leków i związków ważnych fizjologicznie”. The Journal of biologii błony 248, 651-669 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00232-015-9778-9

[15] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz i Rolando D. Somma. „Optymalne pomiary kwantowe wartości oczekiwanych obserwowalnych”. Przegląd fizyczny A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.75.012328

[16] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca i Alain Tapp. „Wzmocnienie i szacowanie amplitudy kwantowej”. Współczesna matematyka 305, 53–74 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1090 / conm / 305/05215

[17] A. Yu. Kitajew. „Pomiary kwantowe i problem stabilizatora abelowego” (1995). arXiv:kwant-ph/​9511026.
arXiv: quant-ph / 9511026

[18] David Poulin i Paweł Wocjan. „Przygotowanie stanów podstawowych kwantowych układów wielu ciał na komputerze kwantowym”. Listy przeglądu fizycznego 102, 130503 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.102.130503

[19] David Poulin, Alexei Kitaev, Damian S. Steiger, Matthew B. Hastings i Matthias Troyer. „Algorytm kwantowy do pomiaru widma z mniejszą liczbą bramek”. Fiz. Wielebny Lett. 121, 010501 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.010501

[20] Yimin Ge, Jordi Tura i J. Ignacio Cirac. „Szybsze przygotowanie stanu podstawowego i precyzyjne szacowanie energii gruntu przy mniejszej liczbie kubitów”. Journal of Mathematical Physics 60, 022202 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5027484

[21] Lin Lin i Yu Tong. „Prawie optymalne przygotowanie do stanu podstawowego”. Kwant 4, 372 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-12-14-372

[22] Ruizhe Zhang, Guoming Wang i Peter Johnson. „Obliczanie właściwości stanu podstawowego za pomocą odpornych na awarie komputerów kwantowych”. Kwant 6, 761 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-11-761

[23] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz i Rolando D. Somma. „Optymalne pomiary kwantowe wartości oczekiwanych obserwowalnych”. Fiz. Rev. A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328

[24] András Gilyén, Yuan Su, Guang Hao Low i Nathan Wiebe. „Kwantowa transformacja wartości osobliwych i nie tylko: wykładnicze ulepszenia arytmetyki macierzy kwantowej”. W materiałach z 51. dorocznego sympozjum ACM SIGACT na temat teorii informatyki. AKM (2019).

[25] Patryk Rall. „Algorytmy kwantowe do szacowania wielkości fizycznych za pomocą kodowania blokowego”. fizyka Wersja 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 i Ryan Babbush. „Prawie optymalny algorytm kwantowy do szacowania wielu wartości oczekiwanych”. Fiz. Wielebny Lett. 129, 240501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.240501

[27] Arjan Cornelissen, Yassine Hamoudi i Sofiene Jerbi. „Niemal optymalne algorytmy kwantowe do wielowymiarowej estymacji średniej”. W materiałach z 54. dorocznego sympozjum ACM SIGACT na temat teorii informatyki. Strony 33–43. STOC 2022Nowy Jork, NY, USA (2022). Stowarzyszenie Maszyn Obliczeniowych.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3520045

[28] Guang Hao Low i Isaac L. Chuang. „Optymalna symulacja hamiltonowska za pomocą kwantowego przetwarzania sygnału”. fizyka Wielebny Lett. 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501

[29] Patryk Rall. „Szybsze, spójne algorytmy kwantowe do szacowania fazy, energii i amplitudy”. Kwant 5, 566 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-10-19-566

[30] John M. Martyn, Zane M. Rossi, Andrew K. Tan i Isaac L. Chuang. „Wielka unifikacja algorytmów kwantowych”. 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 i Michele Mosca. „Optymalne obwody kwantowe do ogólnego oszacowania fazy”. Fiz. Wielebny Lett. 98, 090501 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.090501

[32] Gumaro Rendon, Taku Izubuchi i Yuta Kikuchi. „Wpływ okna zwężającego się cosinusa na estymację fazy kwantowej”. Fiz. Rev. D 106, 034503 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.106.034503

[33] Kosuke Mitarai, Kiichiro Toyoizumi i Wataru Mizukami. „Teoria zaburzeń z kwantowym przetwarzaniem sygnału”. Kwant 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 i Ryan Babbush. „Ulepszone techniki przygotowywania stanów własnych hamiltonianów fermionowych”. npj Informacje kwantowe 4, 22 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-018-0071-5

[35] Guang Hao Low i Isaac L. Chuang. „Symulacja Hamiltona przez kubityzację”. Kwant 3, 163 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-07-12-163

[36] Yulong Dong, Lin Lin i Yu Tong. „Przygotowanie stanu podstawowego i szacowanie energii na wczesnych komputerach kwantowych odpornych na uszkodzenia poprzez kwantową transformację wartości własnych macierzy jednostkowych”. PRX Quantum 3, 040305 (2022).
https: // doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.040305

[37] Hrabia T Campbell. „Wczesne symulacje odporne na awarie modelu Hubbarda”. Nauka i technologia kwantowa 7, 015007 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ac3110

[38] Richard Cleve, Artur Ekert, Chiara Macchiavello i Michele 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

[39] Craiga Gidneya. „O połowę koszt dodawania kwantowego”. Kwant 2, 74 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-06-18-74

[40] Jiasu Wang, Yulong Dong i Lin Lin. „O krajobrazie energetycznym symetrycznego przetwarzania sygnałów kwantowych”. Kwant 6, 850 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-11-03-850

[41] Guang Hao Niski. „Kwantowe przetwarzanie sygnału za pomocą dynamiki pojedynczego kubitu”. Praca doktorska. Instytut Technologii w Massachusetts. (2017).

[42] Yulong Dong, Xiang Meng, K. Birgitta Whaley i Lin Lin. „Efektywna ocena współczynnika fazowego w przetwarzaniu sygnału kwantowego”. Przegląd fizyczny A 103, 042419 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.103.042419

[43] Yulong Dong, Lin Lin, Hongkang Ni i Jiasu Wang. „Nieskończone przetwarzanie sygnału kwantowego” (2022). arXiv:2209.10162.
arXiv: 2209.10162

[44] Diptarka Hait i Martin Head-Gordon. „Jak dokładna jest teoria funkcjonału gęstości w przewidywaniu momentów dipolowych? Ocena z wykorzystaniem nowej bazy danych zawierającej 200 wartości wzorcowych”. 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, styczeń 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 i Garnet Kin-Lic Chan. „Najnowsze zmiany w pakiecie programu PySCF”. 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 i Garnet Kin-Lic Chan. „Pyscf: symulacje chemii oparte na Pythonie”. WIREs Computational Molecular Science 8, e1340 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1002 / wcms.1340

[47] Huanchen Zhai i Garnet Kin-Lic Chan. „Algorytmy grupy renormalizacji macierzy gęstości ab initio o niskiej komunikacji i wysokiej wydajności”. J.Chem. Fiz. 154, 224116 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0050902

[48] Dominika Marxa i Jurga Huttera. „Dynamika molekularna ab initio: teoria i wdrożenie”. Nowoczesne metody i algorytmy chemii kwantowej 1, 141 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511609633

[49] J.C. Slater. „Struktura wirusowa i molekularna”. The Journal of Chemical Physics 1, 687–691 (1933).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1749227

[50] Jeffrey Cohn, Mario Motta i Robert M. Parrish. „Diagonalizacja filtrów kwantowych ze skompresowanymi hamiltonianami z podwójnymi czynnikami”. PRX Quantum 2, 040352 (2021).
https: // doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040352

[51] Guang Hao Low, Vadym Kliuchnikov i Luke Schaeffer. „Wymiana bramek T na brudne kubity w przygotowaniu stanu i syntezie unitarnej” (2018). arXiv:1812.00954.
arXiv: 1812.00954

Cytowany przez

[1] Ignacio Loaiza i Artur F. Izmaylov, „Przesunięcie symetrii niezmiennej blokowo: technika przetwarzania wstępnego dla hamiltonianów drugiej kwantyzacji w celu poprawy ich dekompozycji do liniowej kombinacji unitarnej”, Journal of Chemical Theory and Computation acs.jctc.3c00912 (2023).

[2] Alexander M. Dalzell, Sam McArdle, Mario Berta, Przemysław Bienias, Chi-Fang Chen, András Gilyén, Connor T. Hann, Michael J. Kastoryano, Emil T. Khabiboulline, Aleksander Kubica, Grant Salton, Samson Wang i Fernando GSL Brandão, „Algorytmy kwantowe: przegląd aplikacji i kompleksowych złożoności”, 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 i Michael Streif, „Fault -tolerancyjny algorytm kwantowy dla teorii zaburzeń dostosowanej do symetrii”, arXiv: 2305.07009, (2023).

[4] Sophia Simon, Raffaele Santagati, Matthias Degroote, Nikolaj Moll, Michael Streif i Nathan Wiebe, „Ulepszone precyzyjne skalowanie w celu symulacji sprzężonej dynamiki kwantowo-klasycznej”, arXiv: 2307.13033, (2023).

[5] Ignacio Loaiza i Artur F. Izmaylov, „Block-Invariant Symmetry Shift: Technika przetwarzania wstępnego dla hamiltonianów drugiej kwantyzacji w celu poprawy ich dekompozycji do liniowej kombinacji jednostek unitarnych”, arXiv: 2304.13772, (2023).

Powyższe cytaty pochodzą z Serwis cytowany przez Crossref (ostatnia aktualizacja pomyślnie 2023-11-13 12:50:11) i Reklamy SAO / NASA (ostatnia aktualizacja pomyślnie 2023-11-13 12:50:12). Lista może być niekompletna, ponieważ nie wszyscy wydawcy podają odpowiednie i pełne dane cytowania.

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