1Департамент компьютерных наук, Техасский университет в Остине, Остин, Техас 78712, США.
2Zapata Computing Inc., Бостон, Массачусетс 02110, США.
Находите эту статью интересной или хотите обсудить? Scite или оставить комментарий на SciRate.
Абстрактные
Значительные усилия в области прикладных квантовых вычислений были посвящены проблеме оценки энергии основного состояния молекул и материалов. Тем не менее, для многих приложений, имеющих практическое значение, необходимо оценивать дополнительные свойства основного состояния. К ним относятся функции Грина, используемые для расчета переноса электронов в материалах, и одночастичные матрицы приведенной плотности, используемые для расчета электрических диполей молекул. В этой статье мы предлагаем квантово-классический гибридный алгоритм для эффективной оценки таких свойств основного состояния с высокой точностью с использованием квантовых схем малой глубины. Мы предоставляем анализ различных затрат (повторение схемы, максимальное время эволюции и ожидаемое общее время выполнения) в зависимости от целевой точности, спектрального разрыва и начального перекрытия основного состояния. Этот алгоритм предлагает конкретный подход к использованию первых отказоустойчивых квантовых компьютеров для проведения отраслевых расчетов молекул и материалов.
Популярное резюме
► Данные BibTeX
► Рекомендации
[1] Юдонг Цао, Джонатан Ромеро и Алан Аспуру-Гузик. «Потенциал квантовых вычислений для открытия лекарств». Журнал исследований и разработок IBM 62, 6–1 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1147 / JRD.2018.2888987
[2] Юдонг Цао, Джонатан Ромеро, Джонатан П. Олсон, Матиас Дегроот, Питер Д. Джонсон, Мария Киферова, Ян Д. Кивличан, Тим Менке, Борха Перопадре, Николас П.Д. Савайя и др. «Квантовая химия в эпоху квантовых вычислений». Химические обзоры 119, 10856–10915 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.8b00803
[3] Алан Аспуру-Гузик, Энтони Д. Дутой, Питер Дж. Лав и Мартин Хед-Гордон. «Смоделированное квантовое вычисление молекулярной энергии». Наука 309, 1704–1707 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1113479
[4] Альберто Перуццо, Джаррод МакКлин, Питер Шадболт, Ман-Хонг Юнг, Сяо-Ци Чжоу, Питер Дж. Лав, Алан Аспуру-Гузик и Джереми Л. О'Брайен. «Вариационный решатель собственных значений на фотонном квантовом процессоре». Связи с природой 5, 1–7 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213
[5] Игаль Меир и Нед С. Вингрин. «Формула Ландауэра для тока через область взаимодействующих электронов». Письма с физическим обзором 68, 2512 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.2512
[6] Фрэнк Дженсен. «Введение в вычислительную химию». Джон Уайли и сыновья. (2017).
[7] Томас Э. О'Брайен, Бруно Сенжан, Рамиро Сагастизабаль, Ксавьер Боне-Монройг, Алисия Дуткевич, Франческо Буда, Леонардо ДиКарло и Лукас Вишер. «Вычисление производных энергии для квантовой химии на квантовом компьютере». npj Квантовая информация 5, 1–12 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0213-4
[8] Андрис Амбаинис. «О физических задачах, немного более сложных, чем qma». В 2014 году состоялась 29-я конференция IEEE по вычислительной сложности (CCC). Страницы 32–43. (2014).
https: / / doi.org/ 10.1109 / CCC.2014.12
[9] Севаг Гарибян и Джастин Йирка. «Сложность моделирования локальных измерений в квантовых системах». Квант 3, 189 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-09-30-189
[10] Севаг Гарибян, Стивен Пиддок и Джастин Йирка. «Классы сложности Oracle и локальные измерения физических гамильтонианов». Кристоф Пол и Маркус Блезер, редакторы 37-го Международного симпозиума по теоретическим аспектам компьютерных наук (STACS 2020). Том 154 Международного журнала Лейбница по информатике (LIPIcs), страницы 20: 1–20: 37. Дагштуль, Германия (2020). Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum für Informatik.
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.STACS.2020.20
[11] Дэвид Пулин и Павел Вочан. «Подготовка основных состояний квантовых систем многих тел на квантовом компьютере». Письма о физическом обзоре 102, 130503 (2009 г.).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.130503
[12] Имин Гэ, Хорди Тура и Дж. Игнасио Чирак. «Быстрая подготовка основного состояния и высокоточная оценка основной энергии с меньшим количеством кубитов». Журнал математической физики 60, 022202 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5027484
[13] Лин Лин и Ю Тонг. «Подготовка к почти оптимальному основному состоянию». Квант 4, 372 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-14-372
[14] Сэм МакАрдл, Александр Майоров, Сяо Шань, Саймон Бенджамин и Сяо Юань. «Цифровое квантовое моделирование молекулярных колебаний». Химические науки 10, 5725–5735 (2019).
https:///doi.org/10.1039/C9SC01313J
[15] Жером Ф. Гонтье, Максвелл Д. Радин, Корнелиу Буда, Эрик Дж. Доскосил, Клена М. Абуан и Джонатан Ромеро. «Выявление проблем на пути к практическому квантовому преимуществу посредством оценки ресурсов: контрольно-пропускной пункт измерения в вариационном квантовом собственном решателе» (2020). архив: 2012.04001.
Arxiv: 2012.04001
[16] Гуомин Ван, Дакс Эншан Кох, Питер Д. Джонсон и Юдонг Цао. «Минимизация времени выполнения оценки на шумных квантовых компьютерах». PRX Quantum 2, 010346 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010346
[17] Райан Баббуш, Джаррод Р. МакКлин, Майкл Ньюман, Крейг Гидни, Серхио Бойшо и Хартмут Невен. «Сосредоточьтесь не только на квадратичном ускорении ради квантового преимущества с исправлением ошибок». PRX Quantum 2, 010103 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010103
[18] Кайл Э.К. Бут, Брайан О'Горман, Джеффри Маршалл, Стюарт Хэдфилд и Элеонора Риффель. «Квантово-ускоренное программирование ограничений». Квант 5, 550 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-09-28-550
[19] Эрл Т. Кэмпбелл. «Раннее отказоустойчивое моделирование модели Хаббарда». Квантовая наука и технологии 7, 015007 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ac3110
[20] Лин Лин и Ю Тонг. «Ограниченная Гейзенбергом оценка энергии основного состояния для ранних отказоустойчивых квантовых компьютеров». PRX Quantum 3, 010318 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010318
[21] Дэвид Лейден. «Ошибка рысака первого порядка с точки зрения второго порядка». физ. Преподобный Летт. 128, 210501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.210501
[22] Роландо Д. Сомма. «Квантовая оценка собственных значений с помощью анализа временных рядов». Новый журнал физики 21, 123025 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab5c60
[23] Лора Клинтон, Йоханнес Бауш, Джоэл Классен и Тоби Кубитт. «Фазовая оценка локальных гамильтонианов на аппаратных средствах nisq» (2021). архив: 2110.13584.
Arxiv: 2110.13584
[24] Патрик Ролл. «Более быстрые когерентные квантовые алгоритмы для оценки фазы, энергии и амплитуды». Квант 5, 566 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-10-19-566
[25] Доминик В. Берри, Эндрю М. Чайлдс, Ричард Клив, Робин Котари и Роландо Д. Сомма. «Моделирование гамильтоновой динамики с помощью усеченного ряда Тейлора». Письма о физическом обзоре 114, 090502 (2015 г.). URL: doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.090502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.090502
[26] Гуанг Хао Лоу и Исаак Л. Чуанг. «Оптимальное гамильтоново моделирование с помощью квантовой обработки сигналов». Письма о физическом обзоре 118, 010501 (2017 г.).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501
[27] Эндрю М. Чайлдс, Дмитрий Маслов, Юнсон Нам, Нил Дж. Росс и Юань Су. «На пути к первой квантовой симуляции с квантовым ускорением». Труды Национальной академии наук 115, 9456–9461 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1801723115
[28] Гуанг Хао Лоу и Исаак Л. Чуанг. «Гамильтоновское моделирование путем кубитизации». Квант 3, 163 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-12-163
[29] Эмануэль Книлл, Херардо Ортис и Роландо Д. Сомма. «Оптимальные квантовые измерения ожидаемых значений наблюдаемых». Физический обзор A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328
[30] Джеймс Д. Уотсон, Йоханнес Бауш и Севаг Гарибян. «Сложность трансляционно-инвариантных задач за пределами энергий основного состояния» (2020). архив: 2012.12717.
Arxiv: 2012.12717
[31] Альберто Перуццо, Джаррод МакКлин, Питер Шадболт, Ман-Хонг Юнг, Сяо-Ци Чжоу, Питер Дж. Лав, Алан Аспуру-Гузик и Джереми Л. О'Брайен. «Вариационный решатель собственных значений на фотонном квантовом процессоре». Связи с природой 5, 1–7 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213
[32] Джаррод Р. МакКлин, Джонатан Ромеро, Райан Баббуш и Алан Аспуру-Гузик. «Теория вариационных гибридных квантово-классических алгоритмов». Новый журнал физики 18, 023023 (2016).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/2/023023
[33] Аттила Сабо и Нил С Остлунд. «Современная квантовая химия: введение в передовую теорию электронной структуры». Курьерская корпорация. (2012).
[34] Севаг Гарибян и Франсуа Ле Галль. «Деквантование квантового преобразования сингулярных значений: жесткость и приложения к квантовой химии и гипотеза квантового pcp». В материалах 54-го ежегодного симпозиума ACM SIGACT по теории вычислений. Страницы 19–32. (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3519991
[35] Шантанав Чакраборти, Андраш Гильен и Стейси Джеффери. «Сила матричных мощностей с блочным кодированием: улучшенные методы регрессии с помощью более быстрого гамильтонового моделирования». Кристель Байер, Иоаннис Чацигианнакис, Паола Флоккини и Стефано Леонарди, редакторы 46-го Международного коллоквиума по автоматам, языкам и программированию (ICALP 2019). Том 132 Международного журнала Лейбница по информатике (LIPIcs), страницы 33: 1–33: 14. Дагштуль, Германия (2019). Schloss Dagstuhl – Leibniz-Zentrum fuer Informatik.
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.ICALP.2019.33
[36] Андраш Гильен, Юань Су, Гуан Хао Лоу и Натан Вибе. «Квантовое преобразование сингулярных значений и не только: экспоненциальные улучшения квантовой матричной арифметики». В материалах 51-го ежегодного симпозиума ACM SIGACT по теории вычислений. Страницы 193–204. (2019).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3313276.3316366
[37] Патрик Ролл. «Квантовые алгоритмы оценки физических величин с использованием блочных кодировок». Физический обзор A 102, 022408 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.022408
[38] Ю Тонг, Донг Ан, Натан Вибэ и Лин Лин. «Быстрая инверсия, предварительно подготовленные решатели квантовых линейных систем, быстрое вычисление функции Грина и быстрое вычисление матричных функций». Физический обзор A 104, 032422 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.032422
[39] Джулия Э. Райс, Танви П. Гуджарати, Марио Мотта, Тайлер И. Такешита, Ынсок Ли, Джозеф А. Латоне и Жаннетт М. Гарсия. «Квантовый расчет доминирующих продуктов в литий-серных батареях». Журнал химической физики 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068
[40] Трюгве Хельгакер, Пол Йоргенсен и Йеппе Олсен. «Молекулярная теория электронной структуры». Джон Уайли и сыновья. (2014).
https: / / doi.org/ 10.1002 / 9781119019572
[41] Джейкоб Т. Сили, Мартин Дж. Ричард и Питер Дж. Лав. «Преобразование Брави-китаева для квантового расчета электронной структуры». Журнал химической физики 137, 224109 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4768229
[42] Арам В. Харроу, Авинатан Хасидим и Сет Ллойд. «Квантовый алгоритм для линейных систем уравнений». Письма о физическом обзоре 103, 150502 (2009 г.).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502
[43] Эндрю М. Чайлдс, Робин Котари и Роландо Д. Сомма. «Квантовый алгоритм для систем линейных уравнений с экспоненциально улучшающейся зависимостью от точности». SIAM Journal on Computing 46, 1920–1950 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 16M1087072
[44] Карлос Браво-Прието, Райан ЛаРоуз, М. Сересо, Йигит Субаси, Лукаш Синчио и Патрик Дж. Коулз. «Вариационный квантовый линейный решатель» (2019). архив: 1909.05820.
Arxiv: 1909.05820
[45] Синь-Юань Хуанг, Кишор Бхарти и Патрик Ребентрост. «Краткосрочные квантовые алгоритмы для линейных систем уравнений с регрессионными функциями потерь». Новый журнал физики 23, 113021 (2021).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/ac325f
[46] Йигит Субаши, Роландо Д. Сомма и Давиде Орсуччи. «Квантовые алгоритмы для систем линейных уравнений, вдохновленные адиабатическими квантовыми вычислениями». Письма о физическом обзоре 122, 060504 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.060504
[47] Донг Ан и Лин Лин. «Решатель квантовых линейных систем на основе оптимальных по времени адиабатических квантовых вычислений и алгоритма квантовой приближенной оптимизации». Транзакции ACM по квантовым вычислениям 3 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3498331
[48] Лин Лин и Ю Тонг. «Оптимальная полиномиальная квантовая фильтрация собственных состояний с применением для решения квантовых линейных систем». Квант 4, 361 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-11-11-361
[49] Роландо Д. Сомма и Серхио Бойшо. «Усиление спектральной щели». SIAM Journal on Computing 42, 593–610 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 120871997
[50] Йоси Атиа и Дорит Ааронов. «Ускоренная перемотка гамильтонианов и экспоненциально точные измерения». Связи с природой 8, 1–9 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41467-017-01637-7
[51] Бриелин Браун, Стивен Т. Фламмиа и Норберт Шух. «Вычислительная сложность вычисления плотности состояний». Письма о физическом обзоре 107, 040501 (2011 г.).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.040501
[52] Стивен П. Джордан, Дэвид Госсет и Питер Дж. Лав. «Квантовые-мерлин-артуровские полные задачи для стоквастических гамильтонианов и марковских матриц». Физический обзор A 81, 032331 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.032331
[53] Севаг Гарибян и Джейми Сикора. «Связность в основном состоянии локальных гамильтонианов». АКМ транс. вычисл. Теория 10 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3186587
[54] Джеймс Д. Уотсон и Йоханнес Бауш. «Сложность аппроксимации критических точек квантовых фазовых переходов» (2021). архив: 2105.13350.
Arxiv: 2105.13350
Цитируется
[1] Пабло А. М. Касарес, Роберто Кампос и М. А. Мартин-Дельгадо, «TFermion: библиотека оценки стоимости не-Клиффордовских ворот алгоритмов оценки квантовой фазы для квантовой химии», Квант 6, 768 (2022).
[2] Ю Тонг, «Разработка алгоритмов оценки свойств основного состояния на первых отказоустойчивых квантовых компьютерах», Квантовые представления 6, 65 (2022).
[3] Юлонг Донг, Лин Лин и Ю Тонг, «Подготовка основного состояния и оценка энергии на ранних отказоустойчивых квантовых компьютерах с помощью квантового преобразования собственных значений унитарных матриц», Arxiv: 2204.05955.
[4] Питер Д. Джонсон, Александр А. Куница, Жером Ф. Гонтье, Максвелл Д. Радин, Корнелиу Буда, Эрик Дж. Доскосил, Клена М. Абуан и Джонатан Ромеро, «Уменьшение стоимости оценки энергии в вариационном алгоритм квантового собственного решателя с надежной оценкой амплитуды», Arxiv: 2203.07275.
[5] Гуомин Ван, Сукин Сим и Питер Д. Джонсон, «Ускорители подготовки состояния для ранних отказоустойчивых квантовых вычислений», Arxiv: 2202.06978.
Приведенные цитаты из Цитируемый сервис Crossref (последнее обновление успешно завершено 2022-07-28 15:34:04) и САО / НАСА ADS (последнее обновление успешно 2022-07-28 15:34:05). Список может быть неполным, поскольку не все издатели предоставляют подходящие и полные данные о цитировании.
Эта статья опубликована в Quantum под Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) лицензия. Авторское право остается за первоначальными правообладателями, такими как авторы или их учреждения.
