Calcul cuantic tolerant la erori a observabilelor moleculare

Calcul cuantic tolerant la erori a observabilelor moleculare

Marca temporală: 6 noiembrie 2023, ora 7:23

Mark Steudtner1, Sam Morley-Scurt1, William Pol1, Sukin Sim1, Cristian L. Cortes2, Matthias Loipersberger2, Robert M. Parrish2, Matthias Degroote3, Nikolaj Moll3, Raffaele Santagati3, și Michael Streif3

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

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

Abstract

În ultimele trei decenii, s-au făcut reduceri semnificative ale costului estimării energiilor fundamentale ale hamiltonienilor moleculari cu calculatoare cuantice. Cu toate acestea, relativ puțină atenție a fost acordată estimării valorilor așteptate ale altor observabile în ceea ce privește stările fundamentale menționate, ceea ce este important pentru multe aplicații industriale. În această lucrare prezentăm un nou algoritm cuantic de estimare a valorii așteptărilor (EVE) care poate fi aplicat pentru a estima valorile așteptărilor observabilelor arbitrare în raport cu oricare dintre stările proprii ale sistemului. În special, luăm în considerare două variante de EVE: std-EVE, bazat pe estimarea standard de fază cuantică, și QSP-EVE, care utilizează tehnici de procesare a semnalului cuantic (QSP). Oferim o analiză riguroasă a erorilor pentru ambele variante și minimizăm numărul de factori individuali de fază pentru QSPEVE. Aceste analize de eroare ne permit să producem estimări de resurse cuantice cu factor constant atât pentru std-EVE cât și pentru QSP-EVE într-o varietate de sisteme moleculare și observabile. Pentru sistemele luate în considerare, arătăm că QSP-EVE reduce numărul porților (Toffoli) cu până la trei ordine de mărime și reduce lățimea qubitului cu până la 25% în comparație cu std-EVE. În timp ce numărul estimat de resurse rămâne mult prea mare pentru primele generații de calculatoare cuantice tolerante la erori, estimările noastre marchează o premieră de acest fel atât pentru aplicarea estimării valorii așteptărilor, cât și a tehnicilor moderne bazate pe QSP.

Fault-tolerant quantum computation of molecular observables PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

► Date BibTeX

► Referințe

[1] David Poulin, Matthew B. Hastings, Dave Wecker, Nathan Wiebe, Andrew C. Doberty și Matthias Troyer. „Mărimea pasului trotterului necesară pentru simularea cuantică precisă a chimiei cuantice”. Informații cuantice. Calculator. 15, 361–384 (2015).
https: / / doi.org/ 10.5555 / 2871401.2871402

[2] 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

[3] Ryan Babbush, Craig Gidney, Dominic W Berry, Nathan Wiebe, Jarrod McClean, Alexandru Paler, Austin Fowler și Hartmut Neven. „Codificarea spectrelor electronice în circuite cuantice cu complexitate T liniară”. Physical Review X 8, 041015 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[4] Dominic W. Berry, Craig Gidney, Mario Motta, Jarrod R. McClean și Ryan Babbush. „Qubitizarea chimiei cuantice bazate pe bază arbitrară, exploatând dispersitatea și factorizarea de rang scăzut”. Quantum 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 și Ryan Babbush. „Calcule cuantice și mai eficiente ale chimiei prin hipercontracția tensorilor”. PRX Quantum 2, 030305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030305

[6] Yuan Su, Dominic W. Berry, Nathan Wiebe, Nicholas Rubin și Ryan Babbush. „Simulări cuantice tolerante la erori ale chimiei în prima cuantizare”. 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 și Eunseok Lee. „Estimarea resurselor tolerante la erori pentru simulări chimice cuantice: studiu de caz asupra moleculelor de electroliți ai bateriei cu li-ion”. Fiz. Rev. Research 4, 023019 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.023019

[8] Alain Delgado, Pablo AM Casares, Roberto dos Reis, Modjtaba Shokrian Zini, Roberto Campos, Norge Cruz-Hernández, Arne-Christian Voigt, Angus Lowe, Soran Jahangiri, MA Martin-Delgado, Jonathan E. Mueller și Juan Miguel Arrazola. „Simularea proprietăților cheie ale bateriilor litiu-ion cu un computer cuantic tolerant la erori”. 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 și Matthias Troyer. „Cataliza computațională îmbunătățită de calcul cuantic”. Fiz. Rev. 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 și Nicholas C. Rubin. „Evaluarea fiabilă a structurii electronice a citocromului p450 pe computerele clasice de astăzi și pe computerele cuantice de mâine”. 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 și colab. „Calcul cuantic eficient al forțelor moleculare și al altor gradienți de energie”. Fiz. Rev. Res. 4, 043210 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.043210

[12] Christopher J Cramer. „Esenţiale ale chimiei computaţionale: teorii şi modele”. John Wiley & Sons. (2013). 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:+Theories+and+Models,+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, și Clemens Utschig-Utschig. „Proiectarea medicamentelor pe computere cuantice” (2023). arXiv:2301.04114.
arXiv: 2301.04114

[14] Clifford W Fong. „Permeabilitatea barierei hematoencefalice: mecanism molecular de transport al medicamentelor și compușilor importanți fiziologic”. Jurnalul de biologie a membranei 248, 651–669 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00232-015-9778-9

[15] 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

[16] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca și Alain Tapp. „Amplificarea și estimarea amplitudinii cuantice”. Matematică contemporană 305, 53–74 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1090 / conm / 305/05215

[17] A. Yu. Kitaev. „Măsurătorile cuantice și problema stabilizatorului abelian” (1995). arXiv:quant-ph/​9511026.
arXiv: Quant-ph / 9511026

[18] David Poulin și Pawel Wocjan. „Pregătirea stărilor fundamentale ale sistemelor cuantice cu mai multe corpuri pe un computer cuantic”. Physical Review Letters 102, 130503 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.102.130503

[19] David Poulin, Alexei Kitaev, Damian S. Steiger, Matthew B. Hastings și Matthias Troyer. „Algoritm cuantic pentru măsurarea spectrală cu un număr mai mic de poartă”. Fiz. Rev. Lett. 121, 010501 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.010501

[20] 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

[21] Lin Lin și Yu Tong. „Pregătirea stării fundamentale aproape optimă”. Quantum 4, 372 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-12-14-372

[22] Ruizhe Zhang, Guoming Wang și Peter Johnson. „Calculul proprietăților stării fundamentale cu calculatoare cuantice timpurii tolerante la erori”. Quantum 6, 761 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-11-761

[23] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz și Rolando D. Somma. „Măsurări cuantice optime ale valorilor așteptărilor observabile”. Fiz. Rev. A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328

[24] 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. ACM (2019).

[25] Patrick Rall. „Algoritmi cuantici pentru estimarea cantităților fizice folosind codificări bloc”. Fiz. Rev. 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 și Ryan Babbush. „Algoritm cuantic aproape optim pentru estimarea mai multor valori de așteptare”. Fiz. Rev. Lett. 129, 240501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.240501

[27] Arjan Cornelissen, Yassine Hamoudi și Sofiene Jerbi. „Algoritmi cuantici aproape optimi pentru estimarea medie multivariată”. În Proceedings of the 54th Annual ACM SIGACT Symposium on Theory of Computing. Pagina 33–43. STOC 2022New York, NY, SUA (2022). Asociația pentru Mașini de Calcul.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3520045

[28] Guang Hao Low și Isaac L. Chuang. „Simulare hamiltoniană optimă prin procesarea semnalului cuantic”. Fiz. Rev. Lett. 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501

[29] Patrick Rall. „Algoritmi cuantici coerenți mai rapid pentru estimarea fazei, energiei și amplitudinii”. Quantum 5, 566 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-10-19-566

[30] John M. Martyn, Zane M. Rossi, Andrew K. Tan și Isaac L. Chuang. „Marea unificare a algoritmilor cuantici”. 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 și Michele Mosca. „Circuite cuantice optime pentru estimarea generală a fazei”. Fiz. Rev. Lett. 98, 090501 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.090501

[32] Gumaro Rendon, Taku Izubuchi și Yuta Kikuchi. „Efectele ferestrei de conicitate cosinus asupra estimării fazei cuantice”. Fiz. Rev. D 106, 034503 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.106.034503

[33] Kosuke Mitarai, Kiichiro Toyoizumi și Wataru Mizukami. „Teoria perturbației cu procesare cuantică a semnalului”. Quantum 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 și Ryan Babbush. „Tehnici îmbunătățite de pregătire a stărilor proprii ale hamiltonienilor fermionici”. npj Quantum Information 4, 22 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-018-0071-5

[35] Guang Hao Low și Isaac L. Chuang. „Simularea hamiltoniană prin cobitizare”. Quantum 3, 163 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-07-12-163

[36] Yulong Dong, Lin Lin și Yu Tong. „Pregătirea stării fundamentale și estimarea energiei pe calculatoarele cuantice cu toleranță la defecte prin transformarea cuantică a valorilor proprii a matricelor unitare”. PRX Quantum 3, 040305 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.040305

[37] 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

[38] Richard Cleve, Artur Ekert, Chiara Macchiavello și Michele Mosca. „Algoritmi cuantici revăzuți”. Proceedings of the Royal Society of London. Seria A: Științe matematice, fizice și inginerie 454, 339–354 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.1998.0164

[39] Craig Gidney. „Reducerea la jumătate a costului adăugării cuantice”. Quantum 2, 74 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-06-18-74

[40] Jiasu Wang, Yulong Dong și Lin Lin. „Despre peisajul energetic al procesării simetrice a semnalului cuantic”. Quantum 6, 850 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-11-03-850

[41] Guang Hao Low. „Procesarea semnalului cuantic prin dinamică cu un singur qubit”. Teză de doctorat. Institutul de tehnologie din Massachusetts. (2017).

[42] Yulong Dong, Xiang Meng, K. Birgitta Whaley și Lin Lin. „Evaluare eficientă a factorului de fază în procesarea semnalului cuantic”. Physical Review A 103, 042419 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.103.042419

[43] Yulong Dong, Lin Lin, Hongkang Ni și Jiasu Wang. „Procesarea semnalului cuantic infinit” (2022). arXiv:2209.10162.
arXiv: 2209.10162

[44] Diptarka Hait și Martin Head-Gordon. „Cât de precisă este teoria funcțională a densității în a prezice momentele dipolului? O evaluare folosind o nouă bază de date cu 200 de valori de referință”. 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, Jan 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 și Garnet Kin-Lic Chan. „Evoluții recente în pachetul de programe 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 și Garnet Kin-Lic Chan. „Pyscf: simulările bazate pe python ale cadrului de chimie”. WIREs Computational Molecular Science 8, e1340 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1002 / wcms.1340

[47] Huanchen Zhai și Garnet Kin-Lic Chan. „Algoritmi de grup de renormalizare a matricei cu densitate inițială de înaltă performanță de comunicare scăzută”. J. Chem. Fiz. 154, 224116 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0050902

[48] Dominik Marx și Jurg Hutter. „Dinamica moleculară ab initio: teorie și implementare”. Metode și algoritmi moderni de chimie cuantică 1, 141 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511609633

[49] JC Slater. „Structura virală și moleculară”. The Journal of Chemical Physics 1, 687–691 (1933).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1749227

[50] Jeffrey Cohn, Mario Motta și Robert M. Parrish. „Diagonalizarea filtrului cuantic cu hamiltonieni dublu factorizat comprimat”. PRX Quantum 2, 040352 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040352

[51] Guang Hao Low, Vadym Kliuchnikov și Luke Schaeffer. „Tranzacționarea porților T pentru qubiți murdari în pregătirea stării și sinteza unitară” (2018). arXiv:1812.00954.
arXiv: 1812.00954

Citat de

[1] Ignacio Loaiza și Artur F. Izmaylov, „Block-Invariant Symmetry Shift: Preprocessing Technique for Second-Quantized Hamiltonians to Improve Their Decompositions to Linear Combination of Unitaries”, Journal of Chemical Theory and Computation acs.jctc.3c00912 (2023).

[2] Alexander M. Dalzell, Sam McArdle, Mario Berta, Przemyslaw Bienias, Chi-Fang Chen, András Gilyén, Connor T. Hann, Michael J. Kastoryano, Emil T. Khabiboulline, Aleksander Kubica, Grant Salton, Samson Wang și Fernando GSL Brandão, „Algoritmi cuantici: un studiu asupra aplicațiilor și complexităților de la capăt la capăt”, 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 și Michael Streif, „Fault -algoritm cuantic tolerant pentru teoria perturbației adaptate la simetrie”, arXiv: 2305.07009, (2023).

[4] Sophia Simon, Raffaele Santagati, Matthias Degroote, Nikolaj Moll, Michael Streif și Nathan Wiebe, „Scalarea de precizie îmbunătățită pentru simularea dinamicii cuantice-clasice cuplate”, arXiv: 2307.13033, (2023).

[5] Ignacio Loaiza și Artur F. Izmaylov, „Block-Invariant Symmetry Shift: Preprocessing technique for second-quantized Hamiltonians to improve their descompositions to Linear Combination of Unitaries”, arXiv: 2304.13772, (2023).

Citatele de mai sus sunt din Serviciul citat de Crossref (ultima actualizare cu succes 2023-11-13 12:50:11) și ADS SAO / NASA (ultima actualizare cu succes 2023-11-13 12:50:12). 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.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Jurnalul cuantic