1Departamentul de Informatică, Universitatea din Texas din Austin, Austin, TX 78712, SUA.
2Zapata Computing Inc., Boston, MA 02110, SUA.
Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.
Abstract
Efort semnificativ în calculul cuantic aplicat a fost dedicat problemei estimării energiei stării fundamentale pentru molecule și materiale. Cu toate acestea, pentru multe aplicații cu valoare practică, trebuie estimate proprietăți suplimentare ale stării fundamentale. Acestea includ funcțiile lui Green utilizate pentru a calcula transportul de electroni în materiale și matricele cu densitate redusă cu o particule utilizate pentru a calcula dipolii electrici ai moleculelor. În această lucrare, propunem un algoritm hibrid cuantic-clasic pentru a estima eficient astfel de proprietăți ale stării fundamentale cu mare precizie, folosind circuite cuantice de adâncime mică. Oferim o analiză a diferitelor costuri (repetări ale circuitelor, timpul de evoluție maxim și timpul de rulare total așteptat) în funcție de precizia țintei, decalajul spectral și suprapunerea inițială a stării fundamentale. Acest algoritm sugerează o abordare concretă a utilizării calculatoarelor cuantice tolerante la erori pentru efectuarea calculelor moleculare și materiale relevante pentru industrie.
Rezumat popular
► Date BibTeX
► Referințe
[1] Yudong Cao, Jhonathan Romero și Alán Aspuru-Guzik. „Potențialul calculului cuantic pentru descoperirea medicamentelor”. Jurnalul IBM de Cercetare și Dezvoltare 62, 6–1 (2018).
https:///doi.org/10.1147/JRD.2018.2888987
[2] Yudong Cao, Jonathan Romero, Jonathan P Olson, Matthias Degroote, Peter D Johnson, Mária Kieferová, Ian D Kivlichan, Tim Menke, Borja Peropadre, Nicolas PD Sawaya și colab. „Chimia cuantică în era calculului cuantic”. Chemical Reviews 119, 10856–10915 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.8b00803
[3] Alán Aspuru-Guzik, Anthony D Dutoi, Peter J Love și Martin Head-Gordon. „Calcul cuantic simulat al energiilor moleculare”. Science 309, 1704–1707 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1113479
[4] 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, 1–7 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213
[5] Yigal Meir și Ned S Wingreen. „Formula Landauer pentru curentul printr-o regiune de electroni care interacționează”. Scrisorile de revizuire fizică 68, 2512 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.2512
[6] Frank Jensen. „Introducere în chimia computațională”. John Wiley & Sons. (2017).
[7] Thomas E O'Brien, Bruno Senjean, Ramiro Sagastizabal, Xavier Bonet-Monroig, Alicja Dutkiewicz, Francesco Buda, Leonardo DiCarlo și Lucas Visscher. „Calculul derivatelor energetice pentru chimia cuantică pe un computer cuantic”. npj Quantum Information 5, 1–12 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0213-4
[8] Andris Ambainis. „La problemele fizice care sunt puțin mai dificile decât qma”. În 2014, a 29-a Conferință IEEE privind complexitatea computațională (CCC). Paginile 32–43. (2014).
https: / / doi.org/ 10.1109 / CCC.2014.12
[9] Sevag Gharibian și Justin Yirka. „Complexitatea simulării măsurătorilor locale pe sisteme cuantice”. Quantum 3, 189 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-09-30-189
[10] Sevag Gharibian, Stephen Piddock și Justin Yirka. „Clasele de complexitate Oracle și măsurători locale pe hamiltonieni fizici”. În Christophe Paul și Markus Bläser, editori, al 37-lea Simpozion internațional privind aspectele teoretice ale informaticii (STACS 2020). Volumul 154 din Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs), paginile 20:1–20:37. Dagstuhl, Germania (2020). Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum für Informatik.
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.STACS.2020.20
[11] David Poulin și Pawel Wocjan. „Pregătirea stărilor fundamentale ale sistemelor cuantice cu mai multe corpuri pe un computer cuantic”. Scrisorile de revizuire fizică 102, 130503 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.130503
[12] Yimin Ge, Jordi Tura și J Ignacio Cirac. „Pregătire mai rapidă a stării fundamentale și estimare de înaltă precizie a energiei solului cu mai puțini qubiți”. Journal of Mathematical Physics 60, 022202 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5027484
[13] Lin Lin și Yu Tong. „Pregătirea stării fundamentale aproape optimă”. Quantum 4, 372 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-14-372
[14] Sam McArdle, Alexander Mayorov, Xiao Shan, Simon Benjamin și Xiao Yuan. „Simularea cuantică digitală a vibrațiilor moleculare”. Chemical science 10, 5725–5735 (2019).
https:///doi.org/10.1039/C9SC01313J
[15] Jérôme F. Gonthier, Maxwell D. Radin, Corneliu Buda, Eric J. Doskocil, Clena M. Abuan și Jhonathan Romero. „Identificarea provocărilor către avantajul cuantic practic prin estimarea resurselor: obstacolul de măsurare în soluția proprie cuantică variațională” (2020). arXiv:2012.04001.
arXiv: 2012.04001
[16] Guoming Wang, Dax Enshan Koh, Peter D Johnson și Yudong Cao. „Minimizarea timpului de rulare a estimării pe computere cuantice zgomotoase”. PRX Quantum 2, 010346 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010346
[17] Ryan Babbush, Jarrod R McClean, Michael Newman, Craig Gidney, Sergio Boixo și Hartmut Neven. „Concentrați-vă dincolo de accelerarea pătratică pentru avantajul cuantic corectat de erori”. PRX Quantum 2, 010103 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010103
[18] Kyle EC Booth, Bryan O'Gorman, Jeffrey Marshall, Stuart Hadfield și Eleanor Rieffel. „Programare cu constrângeri accelerată cuantic”. Quantum 5, 550 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-09-28-550
[19] Earl T Campbell. „Simulări timpurii tolerante la erori ale modelului hubbard”. Quantum Science and Technology 7, 015007 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ac3110
[20] Lin Lin și Yu Tong. „Estimarea energiei de la starea fundamentală limitată de Heisenberg pentru calculatoarele cuantice timpurii tolerante la erori”. PRX Quantum 3, 010318 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010318
[21] David Layden. „Eroare de ordinul întâi la trapăț dintr-o perspectivă de ordinul doi”. Fiz. Rev. Lett. 128, 210501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.210501
[22] Rolando D Somma. „Estimarea valorilor proprii cuantice prin analiza serii temporale”. New Journal of Physics 21, 123025 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab5c60
[23] Laura Clinton, Johannes Bausch, Joel Klassen și Toby Cubitt. „Estimarea fazei hamiltonienilor locali pe hardware-ul nisq” (2021). arXiv:2110.13584.
arXiv: 2110.13584
[24] Patrick Rall. „Algoritmi cuantici coerenți mai rapidi pentru estimarea fazei, energiei și amplitudinii”. Quantum 5, 566 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-10-19-566
[25] Dominic W Berry, Andrew M Childs, Richard Cleve, Robin Kothari și Rolando D Somma. „Simulând dinamica hamiltoniană cu o serie Taylor trunchiată”. Scrisorile de revizuire fizică 114, 090502 (2015). url: doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.090502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.090502
[26] Guang Hao Low și Isaac L Chuang. „Simulare hamiltoniană optimă prin procesarea semnalului cuantic”. Scrisorile de revizuire fizică 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501
[27] Andrew M Childs, Dmitri Maslov, Yunseong Nam, Neil J Ross și Yuan Su. „Spre prima simulare cuantică cu accelerare cuantică”. Proceedings of the National Academy of Sciences 115, 9456–9461 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1801723115
[28] Guang Hao Low și Isaac L Chuang. „Simularea hamiltoniană prin qubitizare”. Quantum 3, 163 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-12-163
[29] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz și Rolando D Somma. „Măsurări cuantice optime ale valorilor așteptărilor observabile”. Physical Review A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328
[30] James D. Watson, Johannes Bausch și Sevag Gharibian. „Complexitatea problemelor translaționale invariante dincolo de energiile stării fundamentale” (2020). arXiv:2012.12717.
arXiv: 2012.12717
[31] 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, 1–7 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213
[32] 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
[33] Attila Szabo și Neil S Ostlund. „Chimie cuantică modernă: introducere în teoria structurii electronice avansate”. Corporația de curierat. (2012).
[34] Sevag Gharibian și François Le Gall. „Decuantizarea transformării valorii singulare cuantice: duritate și aplicații la chimia cuantică și conjectura PCP cuantică”. În Proceedings of the 54th Annual ACM SIGACT Symposium on Theory of Computing. Paginile 19–32. (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3519991
[35] Shantanav Chakraborty, András Gilyén și Stacey Jeffery. „Puterea puterilor matricei codificate în bloc: tehnici de regresie îmbunătățite prin simulare hamiltoniană mai rapidă”. În Christel Baier, Ioannis Chatzigiannakis, Paola Flocchini și Stefano Leonardi, editori, al 46-lea Colocviu internațional despre automate, limbaje și programare (ICALP 2019). Volumul 132 din Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs), paginile 33:1–33:14. Dagstuhl, Germania (2019). Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum fuer Informatik.
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.ICALP.2019.33
[36] András Gilyén, Yuan Su, Guang Hao Low și Nathan Wiebe. „Transformarea cuantică a valorii singulare și nu numai: îmbunătățiri exponențiale pentru aritmetica matricei cuantice”. În Proceedings of the 51th Annual ACM SIGACT Symposium on Theory of Computing. Paginile 193–204. (2019).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3313276.3316366
[37] Patrick Rall. „Algoritmi cuantici pentru estimarea cantităților fizice folosind codificări bloc”. Physical Review A 102, 022408 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.022408
[38] Yu Tong, Dong An, Nathan Wiebe și Lin Lin. „Inversie rapidă, soluții de sistem liniar cuantic precondiționat, calcul rapid al funcției verde și evaluare rapidă a funcțiilor matriceale”. Physical Review A 104, 032422 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.032422
[39] Julia E Rice, Tanvi P Gujarati, Mario Motta, Tyler Y Takeshita, Eunseok Lee, Joseph A Latone și Jeannette M Garcia. „Calcul cuantic al produselor dominante în bateriile cu litiu-sulf”. The Journal of Chemical Physics 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068
[40] Trygve Helgaker, Poul Jorgensen și Jeppe Olsen. „Teoria structurii electronice moleculare”. John Wiley & Sons. (2014).
https: / / doi.org/ 10.1002 / 9781119019572
[41] Jacob T Seeley, Martin J Richard și Peter J Love. „Transformarea bravyi-kitaev pentru calculul cuantic al structurii electronice”. Jurnalul de fizică chimică 137, 224109 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4768229
[42] Aram W Harrow, Avinatan Hassidim și Seth Lloyd. „Algoritm cuantic pentru sisteme liniare de ecuații”. Scrisorile de revizuire fizică 103, 150502 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502
[43] Andrew M Childs, Robin Kothari și Rolando D Somma. „Algoritm cuantic pentru sisteme de ecuații liniare cu dependență îmbunătățită exponențial de precizie”. SIAM Journal on Computing 46, 1920–1950 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 16M1087072
[44] Carlos Bravo-Prieto, Ryan LaRose, M. Cerezo, Yigit Subasi, Lukasz Cicio și Patrick J. Coles. „Rezolvator liniar cuantic variațional” (2019). arXiv:1909.05820.
arXiv: 1909.05820
[45] Hsin-Yuan Huang, Kishor Bharti și Patrick Rebentrost. „Algoritmi cuantici pe termen scurt pentru sisteme liniare de ecuații cu funcții de pierdere de regresie”. New Journal of Physics 23, 113021 (2021).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/ac325f
[46] Yiğit Subaşı, Rolando D Somma și Davide Orsucci. „Algoritmi cuantici pentru sisteme de ecuații liniare inspirate de calculul cuantic adiabatic”. Scrisorile de revizuire fizică 122, 060504 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.060504
[47] Dong An și Lin Lin. „Rezolvator de sistem liniar cuantic bazat pe calculul cuantic adiabatic optim în timp și algoritmul de optimizare cuantică aproximativă”. Tranzacții ACM pe calculul cuantic 3 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3498331
[48] Lin Lin și Yu Tong. „Filtrarea optimă a stărilor proprii cuantice bazată pe polinomi cu aplicație la rezolvarea sistemelor liniare cuantice”. Quantum 4, 361 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-11-11-361
[49] Rolando D Somma și Sergio Boixo. „Amplificarea decalajului spectral”. SIAM Journal on Computing 42, 593–610 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 120871997
[50] Yosi Atia și Dorit Aharonov. „Avansare rapidă a hamiltonilor și măsurători exponențial precise”. Nature communications 8, 1–9 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41467-017-01637-7
[51] Brielin Brown, Steven T Flammia și Norbert Schuch. „Dificultatea computațională de a calcula densitatea stărilor”. Scrisorile de revizuire fizică 107, 040501 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.040501
[52] Stephen P Jordan, David Gosset și Peter J Love. „Quantum-merlin-arthur–probleme complete pentru hamiltonienii stoquastici și matricele markov”. Physical Review A 81, 032331 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.032331
[53] Sevag Gharibian și Jamie Sikora. „Conectivitate de stat de bază a hamiltonienilor locali”. ACM Trans. Calculator. Teoria 10 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3186587
[54] James D. Watson și Johannes Bausch. „Complexitatea aproximării punctelor critice ale tranzițiilor de fază cuantică” (2021). arXiv:2105.13350.
arXiv: 2105.13350
Citat de
[1] Pablo AM Casares, Roberto Campos și MA Martin-Delgado, „TFermion: O bibliotecă de evaluare a costurilor non-Clifford gate a algoritmilor de estimare a fazei cuantice pentru chimia cuantică”, Quantum 6, 768 (2022).
[2] Yu Tong, „Proiectarea algoritmilor pentru estimarea proprietăților stării fundamentale pe calculatoarele cuantice cu toleranță la erori timpurii”, Vizualizări cuantice 6, 65 (2022).
[3] Yulong Dong, Lin Lin și Yu Tong, „Pregătirea stării fundamentale și estimarea energiei pe calculatoare cuantice tolerante la erori timpurii prin transformarea cuantică a valorilor proprii a matricelor unitare”, arXiv: 2204.05955.
[4] Peter D. Johnson, Alexander A. Kunitsa, Jérôme F. Gonthier, Maxwell D. Radin, Corneliu Buda, Eric J. Doskocil, Clena M. Abuan și Jhonathan Romero, „Reducing the cost of energy estimation in the variational algoritm cuantic eigensolver cu estimare robustă a amplitudinii”, arXiv: 2203.07275.
[5] Guoming Wang, Sukin Sim și Peter D. Johnson, „State Preparation Boosters for Early Fault-Tolerant Quantum Computation”, arXiv: 2202.06978.
Citatele de mai sus sunt din Serviciul citat de Crossref (ultima actualizare cu succes 2022-07-28 15:34:04) și ADS SAO / NASA (ultima actualizare cu succes 2022-07-28 15:34:05). Lista poate fi incompletă, deoarece nu toți editorii furnizează date de citare adecvate și complete.
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.
