1Departamentul de Fizică, Virginia Tech, Blacksburg, VA 24061, SUA
2Virginia Tech Center for Quantum Information Science and Engineering, Blacksburg, VA 24061, SUA
3Departamentul de Chimie, Virginia Tech, Blacksburg, VA 24061, SUA
Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.
Abstract
Simularea cuantică a sistemelor puternic corelate este potențial cea mai fezabilă aplicație utilă a calculatoarelor cuantice pe termen scurt. Minimizarea resurselor computaționale cuantice este crucială pentru atingerea acestui obiectiv. O clasă promițătoare de algoritmi în acest scop constă din soluții proprii cuantici variaționali (VQE). Printre acestea, versiunile adaptate problemelor, cum ar fi ADAPT-VQE, care construiesc ansätze variaționale pas cu pas dintr-un grup de operatori predefinit, funcționează deosebit de bine în ceea ce privește adâncimea circuitului și numărul de parametri variaționali. Cu toate acestea, această performanță îmbunătățită vine în detrimentul unei cheltuieli suplimentare de măsurare în comparație cu VQE-urile standard. Aici, arătăm că această suprasarcină poate fi redusă la o sumă care crește doar liniar cu numărul $n$ de qubiți, în loc de quartic ca în ADAPT-VQE original. Facem acest lucru demonstrând că grupurile de operatori de dimensiunea $2n-2$ pot reprezenta orice stare din spațiul Hilbert dacă sunt alese corespunzător. Demonstrăm că aceasta este dimensiunea minimă a unor astfel de bazine „complete”, discutăm proprietățile lor algebrice și prezentăm condițiile necesare și suficiente pentru completarea lor care ne permit să găsim astfel de bazine în mod eficient. Mai arătăm că, dacă problema simulată posedă simetrii, atunci grupurile complete pot eșua să producă rezultate convergente, cu excepția cazului în care grupul este ales să respecte anumite reguli de simetrie. Demonstrăm performanța unor astfel de grupuri complete adaptate la simetrie, utilizându-le în simulări clasice ale ADAPT-VQE pentru mai multe molecule puternic corelate. Descoperirile noastre sunt relevante pentru orice VQE care utilizează un ansatz bazat pe șiruri Pauli.
Rezumat popular
În timp ce algoritmii adaptivi care construiesc funcții de undă de probă din mers într-un mod adaptat problemei par deosebit de promițători, aceștia pot avea un cost suplimentar de măsurare în comparație cu alți algoritmi variaționali. Demonstrăm că acest cost suplimentar poate fi redus la a fi doar liniar în numărul de qubiți și oferim rețete explicite pentru a realiza acest lucru. De asemenea, arătăm că este important ca aceste rețete să țină cont de orice simetrie din sistemul care este simulat pentru ca acestea să funcționeze bine.
► Date BibTeX
► Referințe
[1] John Preskill. „Calcul cuantic în era NISQ și nu numai”. Quantum 2, 79 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-08-06-79
[2] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J. Love, Alán Aspuru-Guzik și Jeremy L. O'Brien. „Un rezolvator de valori proprii variaționale pe un procesor cuantic fotonic”. Nature Communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213
[3] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush și Alán Aspuru-Guzik. „Teoria algoritmilor hibrizi variaționali cuantic-clasici”. New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/2/023023
[4] Jonathan Romero, Ryan Babbush, Jarrod R McClean, Cornelius Hempel, Peter J Love și Alán Aspuru-Guzik. „Strategii pentru calculul cuantic al energiilor moleculare folosind clusterul unitar cuplat ansatz”. Quantum Science and Technology 4, 014008 (2018).
https://doi.org/10.1088/2058-9565/aad3e4
[5] Joonho Lee, William J. Huggins, Martin Head-Gordon și K. Birgitta Whaley. „Funcții de undă de cluster cuplate unitare generalizate pentru calculul cuantic”. Journal of Chemical Theory and Computation 15, 311–324 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.8b01004
[6] M. Cerezo, Andrew Arrasmith, Ryan Babbush, Simon C. Benjamin, Suguru Endo, Keisuke Fujii, Jarrod R. McClean, Kosuke Mitarai, Xiao Yuan, Lukasz Cicio și Patrick J. Coles. „Algoritmi cuantici variaționali”. Nature Reviews Physics 3, 625–644 (2021).
https://doi.org/10.1038/s42254-021-00348-9
[7] Kishor Bharti, Alba Cervera-Lierta, Thi Ha Kyaw, Tobias Haug, Sumner Alperin-Lea, Abhinav Anand, Matthias Degroote, Hermanni Heimonen, Jakob S. Kottmann, Tim Menke, Wai-Keong Mok, Sukin Sim, Leong-Chuan Kwek, și Alán Aspuru-Guzik. „Algoritmi cuantici zgomotoși la scară intermediară”. Rev. Mod. Fiz. 94, 015004 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.94.015004
[8] Harper R. Grimsley, Sophia E. Economou, Edwin Barnes și Nicholas J. Mayhall. „Un algoritm variațional adaptiv pentru simulări moleculare exacte pe un computer cuantic”. Nature Communications 10, 3007 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41467-019-10988-2
[9] Ho Lun Tang, VO Shkolnikov, George S. Barron, Harper R. Grimsley, Nicholas J. Mayhall, Edwin Barnes și Sophia E. Economou. „Qubit-adapt-vqe: Un algoritm adaptiv pentru construirea de ansätze eficiente din punct de vedere hardware pe un procesor cuantic”. PRX Quantum 2, 020310 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020310
[10] Markus Reiher, Nathan Wiebe, Krysta M. Svore, Dave Wecker și Matthias Troyer. „Elucidarea mecanismelor de reacție pe calculatoarele cuantice”. Proceedings of the National Academy of Sciences 114, 7555–7560 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1619152114
[11] Lindsay Bassman, Miroslav Urbanek, Mekena Metcalf, Jonathan Carter, Alexander F Kemper și Wibe A de Jong. „Simularea materialelor cuantice cu calculatoare cuantice digitale”. Quantum Science and Technology 6, 043002 (2021).
https://doi.org/10.1088/2058-9565/ac1ca6
[12] P. Hohenberg și W. Kohn. „Gaz de electroni neomogen”. Fiz. Apoc. 136, B864–B871 (1964).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.136.B864
[13] W. Kohn și LJ Sham. „Ecuații auto-consistente, inclusiv efecte de schimb și corelație”. Fiz. Rev. 140, A1133–A1138 (1965).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.140.A1133
[14] Andrew G. Taube și Rodney J. Bartlett. „Noi perspective asupra teoriei unitare a clusterelor cuplate”. Jurnalul Internațional de Chimie Cuantică 106, 3393–3401 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1002 / qua.21198
[15] Werner Kutzelnigg. „Analiza erorilor și îmbunătățiri ale teoriei clusterelor cuplate”. Theoretica chimica acta 80, 349–386 (1991).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01117418
[16] Rodney J. Bartlett, Stanislaw A. Kucharski și Jozef Noga. „Cluster cuplat alternativ ansätze ii. metoda unitară cuplată-cluster”. Chemical Physics Letters 155, 133–140 (1989).
https://doi.org/10.1016/S0009-2614(89)87372-5
[17] Barbara M. Terhal. „Corectarea erorilor cuantice pentru memoriile cuantice”. Rev. Mod. Fiz. 87, 307–346 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.87.307
[18] A. Yu. Kitaev, AH Shen și MN Vyalyi. „Calcul clasic și cuantic”. Societatea Americană de Matematică. SUA (2002). url: https:///dx.doi.org/10.1090/gsm/047.
https: / / doi.org/ 10.1090 / gsm / 047
[19] Michael A. Nielsen și Isaac L. Chuang. „Calcul cuantic și informații cuantice: ediția a 10-a aniversare”. Cambridge University Press. SUA (2011). ediția a 10-a. url: https:///doi.org/10.1017/CBO9780511976667.
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667
[20] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C. Benjamin și Xiao Yuan. „Chimie computațională cuantică”. Rev. Mod. Fiz. 92, 015003 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.015003
[21] Francesco A. Evangelista, Garnet Kin-Lic Chan și Gustavo E. Scuseria. „Parametrizarea exactă a funcțiilor de undă fermionică prin teoria clusterelor cuplate unitare”. The Journal of Chemical Physics 151, 244112 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5133059
[22] Yordan S. Yordanov, David RM Arvidsson-Shukur și Crispin HW Barnes. „Circuite cuantice eficiente pentru chimia computațională cuantică”. Fiz. Rev. A 102, 062612 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.062612
[23] Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takita, Markus Brink, Jerry M. Chow și Jay M. Gambetta. „Rezolvare proprie cuantică variațională eficientă din punct de vedere hardware pentru molecule mici și magneți cuantici”. Nature 549, 242–246 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23879
[24] M. Cerezo, Akira Sone, Tyler Volkoff, Lukasz Cicio și Patrick J. Coles. „Platuri sterile dependente de funcția de cost în circuite cuantice parametrizate superficiale”. Nature Communications 12, 1791 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-021-21728-w
[25] Ilya G. Ryabinkin, Tzu-Ching Yen, Scott N. Genin și Artur F. Izmaylov. „Metoda cluster cuplată Qubit: O abordare sistematică a chimiei cuantice pe un computer cuantic”. Journal of Chemical Theory and Computation 14, 6317–6326 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.8b00932
[26] Arthur G. Rattew, Shaohan Hu, Marco Pistoia, Richard Chen și Steve Wood. „Un solutor propriu cuantic variațional evolutiv, independent de domeniu, rezistent la zgomot, eficient din punct de vedere hardware” (2020). arXiv:1910.09694.
arXiv: 1910.09694
[27] D. Chivilikhin, A. Samarin, V. Ulyantsev, I. Iorsh, AR Oganov și O. Kyriienko. „Mog-vqe: soluție proprie cuantică variațională genetică multiobiectivă” (2020). arXiv:2007.04424.
arXiv: 2007.04424
[28] Niladri Gomes, Anirban Mukherjee, Feng Zhang, Thomas Iadecola, Cai-Zhuang Wang, Kai-Ming Ho, Peter P. Orth și Yong-Xin Yao. „Abordare adaptativă a evoluției în timp imaginar cuantic variațional pentru pregătirea stării fundamentale” (2021). arXiv:2102.01544.
https: / / doi.org/ 10.1002 / qute.202100114
arXiv: 2102.01544
[29] Yordan S. Yordanov, V. Armaos, Crispin HW Barnes și David RM Arvidsson-Shukur. „Rezolvare proprie cuantică variațională adaptivă bazată pe excitație Qubit”. Fizica comunicațiilor 4, 228 (2021).
https://doi.org/10.1038/s42005-021-00730-0
[30] Jie Liu, Zhenyu Li și Jinlong Yang. „Un rezolvator cuantic variațional adaptiv eficient al ecuației Schrödinger bazat pe matrici cu densitate redusă”. The Journal of Chemical Physics 154, 244112 (2021). arXiv:https:///doi.org/10.1063/5.0054822.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0054822
arXiv: https: //doi.org/10.1063/5.0054822
[31] Ilya G. Ryabinkin, Robert A. Lang, Scott N. Genin și Artur F. Izmaylov. „Abordare iterativă a clusterului cuplat cu qubit cu screening eficient al generatoarelor”. Journal of Chemical Theory and Computation 16, 1055–1063 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.9b01084
[32] Mihai. Tinkham. „Teoria grupurilor și mecanica cuantică”. New York: McGraw-Hill. (1964).
[33] VO Shkolnikov și Harper R Grimsley. „Codul folosit pentru a genera un bazin complet minim și pentru a găsi starea fundamentală a hidrurii de litiu”. https:///github.com/VladShkolnikov/LiH_dissociation_curve (2020).
https:///github.com/VladShkolnikov/LiH_dissociation_curve
[34] VO Shkolnikov și Harper R Grimsley. „Codul folosit pentru a genera un bazin complet minim și pentru a găsi starea fundamentală a hidrului de beriliu”. https:///github.com/VladShkolnikov/BeH2_dissociation_curve (2020).
https:///github.com/VladShkolnikov/BeH2_dissociation_curve
Citat de
[1] Jules Tilly, Hongxiang Chen, Shuxiang Cao, Dario Picozzi, Kanav Setia, Ying Li, Edward Grant, Leonard Wossnig, Ivan Rungger, George H. Booth și Jonathan Tennyson, „The Variational Quantum Eigensolver: A review of methods and cele mai bune practici", Rapoarte de fizică 986, 1 (2022).
[2] Panagiotis G. Anastasiou, Yanzhu Chen, Nicholas J. Mayhall, Edwin Barnes și Sophia E. Economou, „TETRIS-ADAPT-VQE: An Adaptive algorithm that yields shallower, denser circuit ansätze”, arXiv: 2209.10562, (2022).
[3] Hugh GA Burton, Daniel Marti-Dafcik, David P. Tew și David J. Wales, „Stări electronice exacte cu circuite cuantice superficiale prin optimizare globală”, arXiv: 2207.00085, (2022).
[4] Anirban Mukherjee, Noah F. Berthusen, João C. Getelina, Peter P. Orth și Yong-Xin Yao, „Studiu comparativ al soluțiilor proprii cuantice variaționale adaptive pentru modele de impurități multi-orbitale”, Fizica comunicațiilor 6 1, 4 (2023).
[5] Yanzhu Chen, Linghua Zhu, Chenxu Liu, Nicholas J. Mayhall, Edwin Barnes și Sophia E. Economou, „How Much Entanglement Do Quantum Optimization Algorithms Require?”, arXiv: 2205.12283, (2022).
[6] Ada Warren, Linghua Zhu, Nicholas J. Mayhall, Edwin Barnes și Sophia E. Economou, „Adaptive variational algorithms for quantum Gibbs state preparation”, arXiv: 2203.12757, (2022).
[7] Tatiana A. Bespalova și Oleksandr Kyriienko, „Simularea cuantică și pregătirea stării fundamentale pentru modelul Kitaev în fagure”, arXiv: 2109.13883, (2021).
[8] Dmitry A. Fedorov, Yuri Alexeev, Stephen K. Gray și Matthew Otten, „Metoda unitară selectivă a grupurilor cuplate”, Quantum 6, 703 (2022).
[9] Mariia D. Sapova și Aleksey K. Fedorov, „Variational quantum eigensolver techniques for simulating carbon monoxide oxidation”, Fizica comunicațiilor 5 1, 199 (2022).
[10] Takashi Tsuchimochi, Masaki Taii, Taisei Nishimaki și Seiichiro L. Ten-no, „Adaptive construction of shallower quantum circuits with quantum spin projection for fermionics systems”, Cercetare fizică de revizuire 4 3, 033100 (2022).
[11] Alicia B. Magann, Sophia E. Economou și Christian Arenz, „Randomized Adaptive Quantum State Preparation”, arXiv: 2301.04201, (2023).
[12] Mohammad Haidar, Marko J. Rančić, Thomas Ayral, Yvon Maday și Jean-Philip Piquemal, „Open Source Variational Quantum Eigensolver Extension of the Quantum Learning Machine (QLM) for Quantum Chemistry”, arXiv: 2206.08798, (2022).
[13] Scott E. Smart și David A. Mazziotti, „Simularea cu mulți fermioni din soluția proprie cuantică contractată fără codificare fermionică a funcției de undă”, Revista fizică A 105 6, 062424 (2022).
[14] Luke W. Bertels, Harper R. Grimsley, Sophia E. Economou, Edwin Barnes și Nicholas J. Mayhall, „Symmetry breaking slows convergence of the ADAPT Variational Quantum Eigensolver”, arXiv: 2207.03063, (2022).
[15] Yordan S. Yordanov, Crispin HW Barnes și David RM Arvidsson-Shukur, „Molecular-excited-state calculations with the qubit-excitation-based adaptive variational quantum eigensolver protocol”, Revista fizică A 106 3, 032434 (2022).
[16] Panagiotis G. Anastasiou, Nicholas J. Mayhall, Edwin Barnes și Sophia E. Economou, „How to really measure operator gradients in ADAPT-VQE”, arXiv: 2306.03227, (2023).
Citatele de mai sus sunt din ADS SAO / NASA (ultima actualizare cu succes 2023-06-12 23:47:06). Lista poate fi incompletă, deoarece nu toți editorii furnizează date de citare adecvate și complete.
On Serviciul citat de Crossref nu s-au găsit date despre citarea lucrărilor (ultima încercare 2023-06-12 23:47:04).
Acest Lucru este publicat în Quantum sub Creative Commons Atribuire 4.0 internațională (CC BY 4.0) licență. Drepturile de autor rămân la deținătorii de drepturi de autor originale, precum autorii sau instituțiile lor.
- Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
- EVM Finance. Interfață unificată pentru finanțare descentralizată. Accesați Aici.
- Grupul Quantum Media. IR/PR amplificat. Accesați Aici.
- PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
- Sursa: https://quantum-journal.org/papers/q-2023-06-12-1040/
- :este
- :nu
- ][p
- $UP
- 1
- 10
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15%
- 16
- 17
- 20
- 2006
- 2011
- 2014
- 2015
- 2016
- 2017
- 2018
- 2019
- 2020
- 2021
- 2022
- 2023
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26%
- 27
- 28
- 30
- 31
- 32
- 7
- 8
- 80
- 87
- 9
- a
- mai sus
- REZUMAT
- Academie
- acces
- Cont
- realizarea
- ADA
- adapta
- Suplimentar
- afilieri
- Alexander
- Algoritmul
- algoritmi
- TOATE
- permite
- de asemenea
- american
- printre
- sumă
- an
- analiză
- și
- Andrew
- Aniversari
- Orice
- aplicație
- aplicatii
- aplicat
- abordare
- abordari
- în mod corespunzător
- SUNT
- Arthur
- AS
- At
- autor
- Autorii
- evitarea
- sterp
- bazat
- BE
- fiind
- Benjamin
- CEL MAI BUN
- Cele mai bune practici
- Dincolo de
- legătură
- Pauză
- Breaking
- țărm
- construi
- construiește
- dar
- by
- calcule
- Cambridge
- CAN
- carbon
- Monoxid de carbon
- Centru
- sigur
- chan
- chimic
- chimie
- chen
- ales
- mâncare
- clasă
- Grup
- cum
- vine
- comentariu
- Commons
- Comunicații
- comparație
- Completă
- calcul
- calculator
- Calculatoare
- tehnica de calcul
- Condiții
- constă
- construi
- construirea
- construcţie
- Convergenţă
- drepturi de autor
- Corelație
- A costat
- cuplat
- crucial
- crucial
- Daniel
- de date
- Dave
- David
- demonstra
- Dependent/ă
- depinde de
- Adâncimi
- diferit
- digital
- discuta
- do
- e
- ediţie
- Edward
- Edwin
- efecte
- eficient
- eficient
- Electronic
- energie
- Inginerie
- ecuații
- Eră
- eroare
- evoluţie
- schimb
- exploit
- extensie
- suplimentar
- FAIL
- Modă
- realizabil
- Găsi
- descoperire
- constatările
- Pentru
- găsit
- din
- funcţie
- funcții
- mai mult
- GAS
- genera
- Generatoare
- George
- Caritate
- scop
- gradienți
- acordarea
- gri
- Teren
- creste
- harvard
- aici
- Titularii
- Cum
- Cum Pentru a
- Totuși
- HTTPS
- Hibrid
- hibrid cuantic-clasic
- i
- if
- ii
- imagine
- imaginar
- important
- îmbunătățit
- îmbunătățiri
- in
- Inclusiv
- informații
- in schimb
- instituții
- interesant
- Internațional
- IT
- repetare
- ESTE
- JavaScript
- Ioan
- jurnal
- jpg
- Cheie
- LIMBA
- Nume
- conducere
- învăţare
- Părăsi
- Sub vânt
- stânga
- Li
- Licență
- Listă
- dragoste
- maşină
- Magneţi
- marca
- Martin
- Materiale
- matematic
- Matthew
- max-width
- Mai..
- mcclean
- măsura
- măsurare
- mecanică
- mecanisme
- Amintiri
- metcalf
- metodă
- Metode
- Michael
- minim
- minimizând
- model
- Modele
- Mok
- molecular
- moleculă
- Lună
- cele mai multe
- mult
- mukherjee
- trebuie sa
- național
- Natură
- necesar
- Nou
- New York
- Nu.
- Noe
- număr
- of
- on
- ONE
- afară
- deschide
- open-source
- operator
- Operatorii
- optimizare
- or
- comandă
- original
- Altele
- al nostru
- Hârtie
- parametru
- în special
- patrick
- Efectua
- performanță
- perspective
- Peter
- Fizică
- Plato
- Informații despre date Platon
- PlatoData
- piscină
- piscine
- posibil
- potenţial
- practicile
- pregătire
- prezenta
- presa
- principiu
- Problemă
- Proceedings
- procesor
- Proiectare
- promițător
- proprietăţi
- protocol
- Dovedi
- furniza
- publicat
- editor
- editori
- scop
- Cuantic
- algoritmi cuantici
- Computer cuantic
- calculatoare cuantice
- cuantic calcul
- informație cuantică
- Mecanica cuantică
- qubit
- qubiti
- randomized
- reacţie
- realizarea
- într-adevăr
- Redus
- reducerea
- referințe
- rămășițe
- Rapoarte
- reprezenta
- necesita
- Necesită
- cercetare
- Resurse
- REZULTATE
- revizuiască
- Recenzii
- Richard
- dreapta
- blocaje
- ROBERT
- Rodney
- norme
- Ryan
- s
- Sam
- Ştiinţă
- Ştiinţă şi Tehnologie
- ȘTIINȚE
- îra
- screening-ul
- părea
- selectiv
- câteva
- superficial
- Arăta
- indicat
- DA
- Simon
- simulare
- Mărimea
- încetineşte
- mic
- inteligent
- Societate
- Sursă
- Spaţiu
- Rotire
- standard
- Stat
- Statele
- Pas
- Stephen
- Steve
- tare
- Studiu
- Reușit
- astfel de
- suficient
- potrivit
- sistem
- sisteme
- tech
- tehnici de
- Tehnologia
- termeni
- acea
- lor
- Lor
- apoi
- teorie
- Acestea
- ei
- acest
- trei
- Prin
- Tim
- timp
- Titlu
- la
- proces
- în
- universitate
- actualizat
- URL-ul
- us
- Statele Unite ale Americii
- utilizat
- utilizări
- folosind
- Impotriva
- de
- Virginia
- volum
- W
- vrea
- crescătorie de iepuri de casă
- a fost
- Val
- we
- BINE
- cu
- fără
- lemn
- Apartamente
- fabrică
- an
- Yen
- Randament
- randamentele
- YING
- York
- Yuan
- zephyrnet