Estimarea adaptivă a observabilelor cuantice

Estimarea adaptivă a observabilelor cuantice

Ariel Shlosberg1,2, Andrew J. Jena3,4, Priyanka Mukhopadhyay3,4, Jan F. Haase3,5,6, Felix Leditzky3,4,7,8și Luca Dellantonio3,5,9

1JILA, Universitatea din Colorado și Institutul Național de Standarde și Tehnologie, Boulder, CO 80309, SUA
2Departamentul de Fizică, Universitatea din Colorado, Boulder, CO 80309, SUA
3Institutul de calcul cuantic, Universitatea din Waterloo, Waterloo, ON N2L 3G1, Canada
4Departamentul de Combinatorică și Optimizare, Universitatea din Waterloo, Waterloo, ON N2L 3G1, Canada
5Departamentul de Fizică și Astronomie, Universitatea din Waterloo, Waterloo, ON N2L 3G1, Canada
6Institutul de Fizică Teoretică și IQST, Universität Ulm, D-89069 Ulm, Germania
7Departamentul de Matematică și IQUIST, Universitatea din Illinois Urbana-Champaign, Urbana, IL 61801, SUA
8Institutul Perimetru pentru Fizică Teoretică, Waterloo, ON N2L 2Y5, Canada
9Departamentul de Fizică și Astronomie, Universitatea din Exeter, Stocker Road, Exeter EX4 4QL, Regatul Unit

Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.

Abstract

Estimarea precisă a observabilelor cuantice este o sarcină critică în știință. Odată cu progresul hardware-ului, măsurarea unui sistem cuantic va deveni din ce în ce mai solicitantă, în special pentru protocoalele variaționale care necesită eșantionare extinsă. Aici, introducem o schemă de măsurare care modifică adaptiv estimatorul pe baza datelor obținute anterior. Algoritmul nostru, pe care îl numim AEQuO, monitorizează continuu atât media estimată, cât și eroarea asociată a observabilului considerat și determină următorul pas de măsurare pe baza acestor informații. Permitem atât relații de suprapunere, cât și relații de comutație non-bit în subseturile de operatori Pauli care sunt sondați simultan, maximizând astfel cantitatea de informații adunate. AEQuO vine în două variante: un algoritm lacom de umplere a găleții, cu performanțe bune pentru cazurile cu probleme mici și un algoritm bazat pe învățarea automată, cu scalare mai favorabilă pentru cazuri mai mari. Configurația de măsurare determinată de aceste subrutine este ulterior post-procesată pentru a reduce eroarea estimatorului. Testăm protocolul nostru pe hamiltonieni de chimie, pentru care AEQuO oferă estimări de eroare care se îmbunătățesc pe toate metodele de ultimă generație bazate pe diferite tehnici de grupare sau măsurători randomizate, scăzând astfel foarte mult numărul de măsurători în aplicațiile cuantice actuale și viitoare.

Sistemele cuantice, spre deosebire de cele clasice, sunt distruse ireversibil de fiecare dată când sunt măsurate. Acest lucru are implicații profunde atunci când cineva dorește să extragă informații dintr-un sistem cuantic. De exemplu, atunci când trebuie să estimați valoarea medie a unui observabil, este adesea necesar să repetați întregul experiment de mai multe ori. În funcție de strategia de măsurare utilizată, cerințele pentru a obține aceeași precizie variază considerabil. În această lucrare, propunem o nouă abordare care reduce considerabil resursele de pe hardware. Strategia noastră este adaptativă, în sensul că învață și îmbunătățește alocarea măsurătorilor în timp ce datele sunt achiziționate. În plus, permite estimarea atât a mediei, cât și a erorii care afectează observabilul dorit în același timp. În comparație cu alte abordări de ultimă generație, demonstrăm o îmbunătățire consistentă și considerabilă a preciziei estimării atunci când este folosit protocolul nostru.

► Date BibTeX

► Referințe

[1] PW Shor „Algoritmi pentru calcul cuantic: logaritmi discreti și factoring” Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science 124-134 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1109 / SFCS.1994.365700

[2] Michael A. Nielsenand Issaac L. Chuang „Calcul cuantic și informații cuantice” Cambridge University Press (2010).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[3] Antonio Acín, Immanuel Bloch, Harry Buhrman, Tommaso Calarco, Christopher Eichler, Jens Eisert, Daniel Esteve, Nicolas Gisin, Steffen J Glaser, Fedor Jelezko, Stefan Kuhr, Maciej Lewenstein, Max F Riedel, Piet O Schmidt, Rob Thew, Andreas Wallraff , Ian Walmsley și Frank K Wilhelm, „Foaia de parcurs al tehnologiilor cuantice: o viziune comunitară europeană” New Journal of Physics 20, 080201 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aad1ea
arXiv: 1712.03773

[4] John Preskill „Calcul cuantic în era NISQ și nu numai” Quantum 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79
arXiv: 1801.00862

[5] IM Georgescu, S. Ashhab și Franco Nori, „Simularea cuantică” Reviews of Modern Physics 86, 153–185 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.153
arXiv: 1308.6253

[6] Mari Carmen Banuls, Rainer Blatt, Jacopo Catani, Alessio Celi, Juan Ignacio Cirac, Marcello Dalmonte, Leonardo Fallani, Karl Jansen, Maciej Lewenstein și Simone Montangero, „Simulating lattice gauge theories within quantum technologies” The European Physical Journal D 74, 1 –42 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1140 / epjd / e2020-100571-8
arXiv: 1911.00003

[7] Jan F. Haase, Luca Dellantonio, Alessio Celi, Danny Paulson, Angus Kan, Karl Jansen și Christine A Muschik, „O abordare eficientă din punct de vedere al resurselor pentru simulările cuantice și clasice ale teoriilor gauge în fizica particulelor” Quantum 5, 393 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-02-04-393
arXiv: 2006.14160

[8] Danny Paulson, Luca Dellantonio, Jan F. Haase, Alessio Celi, Angus Kan, Andrew Jena, Christian Kokail, Rick van Bijnen, Karl Jansen, Peter Zoller și Christine A. Muschik, „Simulating 2D Effects in Lattice Gauge Theories on a Quantum Computer” PRX Quantum 2, 030334 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030334
arXiv: 2008.09252

[9] Yudong Cao, Jonathan Romero, Jonathan P. Olson, Matthias Degroote, Peter D. Johnson, Mária Kieferová, Ian D. Kivlichan, Tim Menke, Borja Peropadre, Nicolas PD Sawaya, Sukin Sim, Libor Veis și Alán Aspuru-Guzik, „ Chimie cuantică în era calculului cuantic” Chemical Reviews 119, 10856–10915 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.8b00803
arXiv: 1812.09976

[10] John Preskill „Calcul cuantic 40 de ani mai târziu” arXiv preprint (2021).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2106.10522
arXiv: 2106.10522

[11] Heinz-Peter Breuer și Francesco Petruccione „Teoria sistemelor cuantice deschise” Oxford University Press on Demand (2002).
https: / / doi.org/ 10.1093 / acprof: OSO / 9780199213900.001.0001

[12] Y. Cao, J. Romero și A. Aspuru-Guzik, „Potențialul calculului cuantic pentru descoperirea medicamentelor” IBM Journal of Research and Development 62, 6:1–6:20 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1147/​JRD.2018.2888987

[13] WM Itano, JC Bergquist, JJ Bollinger, JM Gilligan, DJ Heinzen, FL Moore, MG Raizen și DJ Wineland, „Quantum projection noise: Population fluctuations in two-level systems” Physical Review A 47, 3554–3570 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.47.3554

[14] Marco Cerezo, Andrew Arrasmith, Ryan Babbush, Simon C Benjamin, Suguru Endo, Keisuke Fujii, Jarrod R. McClean, Kosuke Mitarai, Xiao Yuan și Lukasz Cicio, „Algoritmi cuantici variați” Nature Reviews Physics 3, 625–644 (2021) .
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00348-9
arXiv: 2012.09265

[15] RR Ferguson, L. Dellantonio, A. Al Balushi, K. Jansen, W. Dür și CA Muschik, „Measurement-Based Variational Quantum Eigensolver” Physical Review Letters 126, 220501 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.220501
arXiv: 2010.13940

[16] Andrew Jena, Scott Genin și Michele Mosca, „Pauli Partitioning with Respect to Gate Sets” arXiv preprint (2019).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1907.07859
arXiv: 1907.07859

[17] Jarrod R. McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush și Alán Aspuru-Guzik, „The theory of variational hybrid quantum-classical algorithms” New Journal of Physics 18, 023023 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​2/​023023
arXiv: 1509.04279

[18] Vladyslav Verteletskyi, Tzu-Ching Yen și Artur F. Izmaylov, „Measurement optimization in the variational quantum eigensolver using a minimum clique cover” The Journal of Chemical Physics 152, 124114 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5141458
arXiv: 1907.03358

[19] Andrew Arrasmith, Lukasz Cicio, Rolando D. Somma și Patrick J. Coles, „Operator Sampling for Shot-frugal Optimization in Variational Algorithms” arXiv preprint (2020).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2004.06252
arXiv: 2004.06252

[20] Ophelia Crawford, Barnaby van Straaten, Daochen Wang, Thomas Parks, Earl Campbell și Stephen Brierley, „Măsurarea cuantică eficientă a operatorilor Pauli în prezența erorii de eșantionare finite” Quantum 5, 385 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385
arXiv: 1908.06942

[21] Hsin-Yuan Huang, Richard Kueng și John Preskill, „Efficient Estimation of Pauli Observables by Derandomization” Physical Review Letters 127, 030503 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.030503
arXiv: 2103.07510

[22] Giacomo Torlai, Guglielmo Mazzola, Giuseppe Carleo și Antonio Mezzacapo, „Măsurarea precisă a observabilelor cuantice cu estimatori de rețele neuronale” Physical Review Research 2, 022060 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.022060
arXiv: 1910.07596

[23] Stefan Hillmich, Charles Hadfield, Rudy Raymond, Antonio Mezzacapo și Robert Wille, „Decision Diagrams for Quantum Measurements with Shallow Circuits” 2021 IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering (QCE) 24–34 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1109 / QCE52317.2021.00018

[24] Hsin-Yuan Huang, Richard Kueng și John Preskill, „Predicția multor proprietăți ale unui sistem cuantic din foarte puține măsurători” Nature Physics 16, 1050–1057 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-020-0932-7
arXiv: 2002.08953

[25] Charles Hadfield, Sergey Bravyi, Rudy Raymond și Antonio Mezzacapo, „Măsurări ale Hamiltonienilor cuantici cu umbre clasice prejudiciate local” Communications in Mathematical Physics 391, 951–967 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-022-04343-8

[26] Charles Hadfield „Adaptive Pauli Shadows for Energy Estimation” arXiv preprint (2021).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2105.12207
arXiv: 2105.12207

[27] Bujiao Wu, Jinzhao Sun, Qi Huang și Xiao Yuan, „Măsurarea grupării suprapuse: un cadru unificat pentru măsurarea stărilor cuantice” arXiv preprint (2021).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2105.13091
arXiv: 2105.13091

[28] Masaya Kohda, Ryosuke Imai, Keita Kanno, Kosuke Mitarai, Wataru Mizukami și Yuya O. Nakagawa, „Estimarea cuantică a așteptărilor-valoare prin eșantionare pe bază de calcul” Phys. Rev. Res. 4, 033173 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.033173

[29] Pranav Gokhale, Olivia Angiuli, Yongshan Ding, Kaiwen Gui, Teague Tomesh, Martin Suchara, Margaret Martonosi și Frederic T. Chong, „Minimizing State Preparations in Variational Quantum Eigensolver by Partitioning into Commuting Families” arXiv preprint (2019).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1907.13623
arXiv: 1907.13623

[30] Ikko Hamamura și Takashi Imamichi „Evaluarea eficientă a observabilelor cuantice folosind măsurători încurcate” npj Quantum Information 6, 1–8 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0284-2

[31] Tzu-Ching Yen, Vladyslav Verteletskyi și Artur F. Izmaylov, „Măsurarea tuturor operatorilor compatibili într-o serie de măsurători cu un singur qubit folosind transformări unitare” Journal of Chemical Theory and Computation 16, 2400–2409 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.0c00008

[32] Artur F. Izmaylov, Tzu-Ching Yen, Robert A. Lang și Vladyslav Verteletskyi, „Abordarea unitară de partiționare a problemei de măsurare în metoda cuantică variațională a eigensolverului” Jurnalul de teorie și calcul chimic 16, 190–195 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.9b00791

[33] Cambyse Rouzé și Daniel Stilck França „Învățarea sistemelor cuantice cu mai multe corpuri din câteva exemplare” arXiv preprint (2021).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2107.03333
arXiv: 2107.03333

[34] Andrew J. Jena și Ariel Shlosberg „Optimizarea măsurătorilor VQE (depozitul GitHub)” https:/​/​github.com/​AndrewJena/​VQE_measurement_optimization (2021).
https://​/​github.com/​AndrewJena/​VQE_measurement_optimization

[35] Scott Aaronson și Daniel Gottesman „Simularea îmbunătățită a circuitelor stabilizatoare” Physical Review A 70, 052328 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.70.052328

[36] Coen Bronand Joep Kerbosch „Algoritmul 457: găsirea tuturor clicurilor unui grafic nedirecționat” Communications of the ACM 16, 575–577 (1973).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 362342.362367

[37] Thomas H. Cormen, Charles E. Leiserson, Ronald L. Rivest și Clifford Stein, „Introduction to algorithms” MIT Press (2009).

[38] Stephan Hoyer, Jascha Sohl-Dickstein și Sam Greydanus, „Reparametrizarea neuronală îmbunătățește optimizarea structurală” Atelierul NeurIPS 2019 Deep Inverse (2019).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1909.04240
arXiv: 1909.04240

[39] Herbert Robbinsand Sutton Monro „O metodă de aproximare stocastică” The Annals of Mathematical Statistics 400–407 (1951).
https: / / doi.org/ 10.1214 / aoms / 1177729586

[40] Diederik P. Kingma și Jimmy Ba „Adam: A Method for Stochastic Optimization” A 3-a Conferință internațională privind reprezentările învățării (2015).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1412.6980
arXiv: 1412.6980

[41] Stephen Wright și Jorge Nocedal „Numerical Optimization” Springer Science 35, 7 (1999).

[42] Philip E. Gilland Walter Murray „Metode Quasi-Newton pentru optimizare neconstrânsă” IMA Journal of Applied Mathematics 9, 91–108 (1972).
https://​/​doi.org/​10.1093/​imamat/​9.1.91

[43] Chigozie Nwankpa, Winifred Ijomah, Anthony Gachagan și Stephen Marshall, „Funcții de activare: comparație a tendințelor în practică și cercetare pentru învățarea profundă” arXiv preprint (2018).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1811.03378
arXiv: 1811.03378

[44] Fabian HL Essler, Holger Frahm, Frank Göhmann, Andreas Klümper și Vladimir E Korepin, „Modelul Hubbard unidimensional” Cambridge University Press (2005).

[45] Zonghan Wu, Shirui Pan, Fengwen Chen, Guodong Long, Chengqi Zhang și Philip S. Yu, „A Comprehensive Survey on Graph Neural Networks” IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems 32, 4–24 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TNLS.2020.2978386
arXiv: 1901.00596

[46] JF Haase, PJ Vetter, T. Unden, A. Smirne, J. Rosskopf, B. Naydenov, A. Stacey, F. Jelezko, MB Plenio și SF Huelga, „Controlable Non-Markovianity for a Spin Qubit in Diamond” Fizic Scrisorile de revizuire 121, 060401 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.060401
arXiv: 1802.00819

[47] Nicholas C. Rubin, Ryan Babbush și Jarrod McClean, „Application of fermionic marginal constraints to hybrid quantum algorithms” New Journal of Physics 20, 053020 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aab919
arXiv: 1801.03524

[48] John Kruschke „Doing Bayesian data analysis: A tutorial with R, JAGS, and Stan” Academic Press (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​B978-0-12-405888-0.09999-2

[49] Andrew Gelman, John B. Carlin, Hal S. Stern și Donald B. Rubin, „Analiza Bayesiană a datelor” Chapman Hall/​CRC (1995).

[50] Paolo Fornasini „Incertitudinea măsurătorilor fizice: o introducere în analiza datelor în laboratorul de fizică” Springer (2008).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-0-387-78650-6

[51] Roger A. Hornand Charles R. Johnson „Analiză matrice” Cambridge University Press (2012).

[52] JW Moon și L. Moser „Despre clicuri în grafice” Israel Journal of Mathematics 3, 23–28 (1965).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02760024

[53] Dong C. Liu și Jorge Nocedal „Despre metoda BFGS cu memorie limitată pentru optimizarea la scară largă” Programare matematică 45, 503–528 (1989).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01589116

Citat de

[1] Andreas Elben, Steven T. Flammia, Hsin-Yuan Huang, Richard Kueng, John Preskill, Benoît Vermersch și Peter Zoller, „The randomized measurement toolbox”, Nature Reviews Fizica 5 1, 9 (2023).

[2] Zachary Pierce Bansingh, Tzu-Ching Yen, Peter D. Johnson și Artur F. Izmaylov, „Fidelity overhead for non-local measurements in variational quantum algorithms”, arXiv: 2205.07113, (2022).

[3] Masaya Kohda, Ryosuke Imai, Keita Kanno, Kosuke Mitarai, Wataru Mizukami și Yuya O. Nakagawa, „Estimarea cuantică a așteptărilor-valoare prin eșantionare pe bază de calcul”, Cercetare fizică de revizuire 4 3, 033173 (2022).

[4] Bujiao Wu, Jinzhao Sun, Qi Huang și Xiao Yuan, „Măsurarea grupării suprapuse: un cadru unificat pentru măsurarea stărilor cuantice”, arXiv: 2105.13091, (2021).

[5] Tzu-Ching Yen, Aadithya Ganeshram și Artur F. Izmaylov, „Îmbunătățiri deterministe ale măsurătorilor cuantice cu gruparea operatorilor compatibili, transformări non-locale și estimări de covarianță”, arXiv: 2201.01471, (2022).

[6] Bojia Duan și Chang-Yu Hsieh, „Încărcarea datelor bazată pe Hamilton cu circuite cuantice superficiale”, Revista fizică A 106 5, 052422 (2022).

[7] Daniel Miller, Laurin E. Fischer, Igor O. Sokolov, Panagiotis Kl. Barkoutsos și Ivano Tavernelli, „Circuite de diagonalizare adaptate hardware”, arXiv: 2203.03646, (2022).

[8] Francisco Escudero, David Fernández-Fernández, Gabriel Jaumà, Guillermo F. ​​Peñas și Luciano Pereira, „Hardware-efficient entangled measurements for variational quantum algorithms”, arXiv: 2202.06979, (2022).

[9] William Kirby, Mario Motta și Antonio Mezzacapo, „Metoda Lanczos exactă și eficientă pe un computer cuantic”, arXiv: 2208.00567, (2022).

[10] Lane G. Gunderman, „Transforming Collections of Pauli Operators into Equivalent Collections of Pauli Operators over Minimal Registers”, arXiv: 2206.13040, (2022).

[11] Andrew Jena, Scott N. Genin și Michele Mosca, „Optimizarea măsurării soluției proprii cuantice variaționale prin partiționarea operatorilor Pauli folosind porți Clifford multiqubit pe hardware cuantic zgomotos la scară intermediară”, Revista fizică A 106 4, 042443 (2022).

[12] Alexander Gresch și Martin Kliesch, „Guaranteed efficient energy estimation of quantum many-body Hamiltonians using ShadowGrouping”, arXiv: 2301.03385, (2023).

Citatele de mai sus sunt din ADS SAO / NASA (ultima actualizare cu succes 2023-01-26 13:33:05). Lista poate fi incompletă, deoarece nu toți editorii furnizează date de citare adecvate și complete.

Nu a putut să aducă Date citate încrucișate în ultima încercare 2023-01-26 13:33:03: Nu s-au putut prelua date citate pentru 10.22331 / q-2023-01-26-906 de la Crossref. Acest lucru este normal dacă DOI a fost înregistrat recent.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Jurnalul cuantic