Отказоустойчивые квантовые вычисления молекулярных наблюдаемых

Отказоустойчивые квантовые вычисления молекулярных наблюдаемых

Отметка времени: 6 ноября 2023 г., 7:23

Марк Стеудтнер1, Сэм Морли-Шорт1, Уильям Пол1, Сукин Сим1, Кристиан Л. Кортес2, Маттиас Лойперсбергер2, Роберт М. Пэрриш2, Маттиас Дегрооте3, Николай Молль3, Раффаэле Сантагати3и Майкл Штрайф3

1PsiQuantum, 700 Hansen Way, Пало-Альто, Калифорния 94304, США
2QC Ware Corp, Пало-Альто, Калифорния 94306, США
3Квантовая лаборатория, Берингер Ингельхайм, 55218 Ингельхайм-на-Рейне, Германия

Находите эту статью интересной или хотите обсудить? Scite или оставить комментарий на SciRate.

Абстрактные

За последние три десятилетия были существенно сокращены затраты на оценку энергий основного состояния молекулярных гамильтонианов с помощью квантовых компьютеров. Однако сравнительно мало внимания уделялось оценке математических ожиданий других наблюдаемых относительно указанных основных состояний, что важно для многих промышленных приложений. В этой работе мы представляем новый квантовый алгоритм оценки математического ожидания (EVE), который можно применять для оценки значений математического ожидания произвольных наблюдаемых по отношению к любому из собственных состояний системы. В частности, мы рассматриваем два варианта EVE: std-EVE, основанный на стандартной оценке квантовой фазы, и QSP-EVE, который использует методы квантовой обработки сигналов (QSP). Мы обеспечиваем строгий анализ ошибок для обоих вариантов и минимизируем количество отдельных фазовых факторов для QSPEVE. Этот анализ ошибок позволяет нам производить оценки квантовых ресурсов с постоянным коэффициентом как для std-EVE, так и для QSP-EVE для различных молекулярных систем и наблюдаемых объектов. Для рассматриваемых систем мы показываем, что QSP-EVE уменьшает количество вентилей (Тоффоли) на три порядка и уменьшает ширину кубита до 25% по сравнению со стандартным EVE. Хотя предполагаемое количество ресурсов остается слишком большим для первых поколений отказоустойчивых квантовых компьютеров, наши оценки являются первыми в своем роде как для применения оценки математического ожидания, так и для современных методов, основанных на QSP.

Отказоустойчивые квантовые вычисления молекулярных наблюдаемых PlatoBlockchain Data Intelligence. Вертикальный поиск. Ай.

► Данные BibTeX

► Рекомендации

[1] Дэвид Пулин, Мэтью Б. Гастингс, Дэйв Векер, Натан Вибе, Эндрю К. Доберти и Матиас Тройер. «Размер шага рысака необходим для точного квантового моделирования квантовой химии». Квантовая информация. Вычислить. 15, 361–384 (2015).
https: / / doi.org/ 10.5555 / 2871401.2871402

[2] Маркус Рейхер, Натан Вибе, Криста М. Своре, Дэйв Векер и Маттиас Тройер. «Выяснение механизмов реакции на квантовых компьютерах». Труды Национальной академии наук 114, 7555–7560 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1619152114

[3] Райан Бэббуш, Крейг Гидни, Доминик В. Берри, Натан Вибе, Джаррод МакКлин, Александру Палер, Остин Фаулер и Хартмут Невен. «Кодирование электронных спектров в квантовых схемах с линейной T-сложностью». Физическое обозрение X 8, 041015 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[4] Доминик В. Берри, Крейг Гидни, Марио Мотта, Джаррод Р. МакКлин и Райан Бэббуш. «Кубитизация квантовой химии с произвольным базисом с использованием разреженности и факторизации низкого ранга». Квант 3, 208 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-12-02-208

[5] Джунхо Ли, Доминик В. Берри, Крейг Гидни, Уильям Дж. Хаггинс, Джаррод Р. МакКлин, Натан Виб и Райан Баббуш. «Еще более эффективные квантовые вычисления химии за счет тензорного гиперсжатия». PRX Quantum 2, 030305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030305

[6] Юань Су, Доминик В. Берри, Натан Виб, Николас Рубин и Райан Баббуш. «Отказоустойчивые квантовые симуляции химии при первом квантовании». PRX Quantum 2, 040332 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040332

[7] Исаак Х. Ким, Е-Хуа Лю, Сэм Паллистер, Уильям Пол, Сэм Робертс и Ынсок Ли. «Оценка отказоустойчивых ресурсов для квантово-химического моделирования: практический пример молекул электролита литий-ионных аккумуляторов». Физ. Ред. Исследования 4, 023019 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.023019

[8] Ален Дельгадо, Пабло А.М. Касарес, Роберто дос Рейс, Моджтаба Шокриан Зини, Роберто Кампос, Норге Крус-Эрнандес, Арне-Кристиан Фойгт, Ангус Лоу, Соран Джахангири, М.А. Мартин-Дельгадо, Джонатан Э. Мюллер и Хуан Мигель Аррасола. «Моделирование ключевых свойств литий-ионных аккумуляторов с помощью отказоустойчивого квантового компьютера». Физ. Ред. А 106, 032428 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.106.032428

[9] Вера фон Бург, Гуан Хао Лоу, Томас Ханер, Дамиан С. Штайгер, Маркус Райхер, Мартин Реттелер и Маттиас Тройер. «Квантовые вычисления усовершенствовали вычислительный катализ». Физ. Преподобный Рез. 3, 033055 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.033055

[10] Джошуа Дж. Гоингс, Алек Уайт, Джунхо Ли, Кристофер С. Таутерманн, Маттиас Дегроот, Крейг Гидни, Тору Сиодзаки, Райан Бэббуш и Николас К. Рубин. «Надежная оценка электронной структуры цитохрома p450 на сегодняшних классических компьютерах и завтрашних квантовых компьютерах». Proceedings of the National Academy of Sciences 119, e2203533119 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.2203533119

[11] Томас Э. О'Брайен, Майкл Стрейф, Николас С. Рубин, Раффаэле Сантагати, Юань Су, Уильям Дж. Хаггинс, Джошуа Дж. Гоингс, Николай Молл, Элика Кёсева, Маттиас Дегроот и др. «Эффективное квантовое вычисление молекулярных сил и других градиентов энергии». Физ. Преподобный Рез. 4, 043210 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.043210

[12] Кристофер Дж. Крамер. «Основы вычислительной химии: теории и модели». Джон Уайли и сыновья. (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] Раффаэле Сантагати, Алан Аспуру-Гузик, Райан Бэббуш, Матиас Дегрооте, Летисия Гонсалес, Элика Кёсева, Николай Молл, Маркус Оппель, Роберт М. Пэрриш, Николас С. Рубин, Майкл Штрайф, Кристофер С. Таутерманн, Хорст Вайс, Натан Вибе, и Клеменс Утшиг-Утшиг. «Разработка лекарств на квантовых компьютерах» (2023). arXiv: 2301.04114.
Arxiv: 2301.04114

[14] Клиффорд В. Фонг. «Проницаемость гематоэнцефалического барьера: молекулярный механизм транспорта лекарственных средств и физиологически важных соединений». Журнал мембранной биологии 248, 651–669 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00232-015-9778-9

[15] Эмануэль Нилл, Херардо Ортис и Роландо Д. Сомма. «Оптимальные квантовые измерения математических ожиданий наблюдаемых». Физическое обозрение А 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.75.012328

[16] Жиль Брассар, Питер Хойер, Мишель Моска и Ален Тапп. «Квантовое амплитудное усиление и оценка». Современная математика 305, 53–74 (2002).
HTTPS: / / doi.org/ 10.1090 / conm / 305/05215

[17] А. Ю. Китаев. «Квантовые измерения и проблема абелева стабилизатора» (1995). arXiv:quant-ph/​9511026.
Arxiv: колич-фот / 9511026

[18] Дэвид Пулен и Павел Воцян. «Подготовка основных состояний квантовых систем многих тел на квантовом компьютере». Physical Review Letters 102, 130503 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.102.130503

[19] Дэвид Пулен, Алексей Китаев, Дамиан С. Стайгер, Мэтью Б. Гастингс и Матиас Тройер. «Квантовый алгоритм спектральных измерений с меньшим количеством вентилей». Физ. Преподобный Летт. 121, 010501 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.010501

[20] Йимин Ге, Хорди Тура и Дж. Игнасио Сирак. «Более быстрая подготовка основного состояния и высокоточная оценка энергии земли с меньшим количеством кубитов». Журнал математической физики 60, 022202 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5027484

[21] 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

[22] Жуйчжэ Чжан, Гуомин Ван и Питер Джонсон. «Вычисление свойств основного состояния с помощью ранних отказоустойчивых квантовых компьютеров». Квант 6, 761 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-11-761

[23] Эмануэль Нилл, Херардо Ортис и Роландо Д. Сомма. «Оптимальные квантовые измерения математических ожиданий наблюдаемых». Физ. Ред. А 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328

[24] Андраш Гильен, Юань Су, Гуан Хао Лоу и Натан Вибе. «Квантовое сингулярное преобразование и не только: экспоненциальные улучшения квантовой матричной арифметики». В материалах 51-го ежегодного симпозиума ACM SIGACT по теории вычислений. АКМ (2019).

[25] Патрик Ролл. «Квантовые алгоритмы оценки физических величин с использованием блочных кодировок». физ. Ред. А 102, 022408 (2020 г.).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.022408

[26] Уильям Дж. Хаггинс, Кианна Ван, Джаррод МакКлин, Томас Э. О'Брайен, Натан Вибе и Райан Бэббуш. «Почти оптимальный квантовый алгоритм для оценки множественных значений ожидания». Физ. Преподобный Летт. 129, 240501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.240501

[27] Арьян Корнелиссен, Ясин Хамуди и Софиен Джерби. «Почти оптимальные квантовые алгоритмы для многомерной оценки среднего». В материалах 54-го ежегодного симпозиума ACM SIGACT по теории вычислений. Стр. 33–43. STOC 2022Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США (2022 г.). Ассоциация вычислительной техники.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3520045

[28] Гуанг Хао Лоу и Исаак Л. Чуанг. «Оптимальное гамильтоново моделирование с помощью квантовой обработки сигналов». физ. Преподобный Летт. 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501

[29] Патрик Ралль. «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

[30] Джон М. Мартин, Зейн М. Росси, Эндрю К. Тан и Исаак Л. Чуанг. «Великое объединение квантовых алгоритмов». PRX Quantum 2, 040203 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040203

[31] Вим ван Дам, Дж. Мауро Д'Ариано, Артур Экерт, Кьяра Маккиавелло и Микеле Моска. «Оптимальные квантовые схемы для общей оценки фазы». Физ. Преподобный Летт. 98, 090501 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.090501

[32] Гумаро Рендон, Таку Изубучи и Юта Кикучи. «Влияние косинусного окна на оценку квантовой фазы». Физ. Ред. Д 106, 034503 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.106.034503

[33] Косукэ Митараи, Киитиро Тоёидзуми и Ватару Мизуками. «Теория возмущений с квантовой обработкой сигналов». Квантум 7, 1000 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-05-12-1000

[34] Доминик В. Берри, Мария Киферова, Артур Шерер, Юваль Р. Сандерс, Гуан Хао Лоу, Натан Вибе, Крейг Гидни и Райан Бэббуш. «Улучшенные методы подготовки собственных состояний фермионных гамильтонианов». npj Квантовая информация 4, 22 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-018-0071-5

[35] 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

[36] Юлонг Донг, Лин Лин и Ю Тонг. «Подготовка основного состояния и оценка энергии на ранних отказоустойчивых квантовых компьютерах посредством квантового преобразования собственных значений унитарных матриц». PRX Quantum 3, 040305 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.040305

[37] Эрл Т. Кэмпбелл. «Раннее отказоустойчивое моделирование модели Хаббарда». Квантовая наука и технологии 7, 015007 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ac3110

[38] Ричард Клив, Артур Экерт, Кьяра Маккиавелло и Мишель Моска. «Возвращение к квантовым алгоритмам». Труды Лондонского королевского общества. Серия A: Математические, физические и технические науки 454, 339–354 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.1998.0164

[39] Крейг Гидни. «Сокращение вдвое стоимости квантового добавления». Квант 2, 74 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-06-18-74

[40] Цзясу Ван, Юлун Донг и Линь Линь. «Об энергетическом ландшафте симметричной обработки квантовых сигналов». Квант 6, 850 (2022 г.).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-11-03-850

[41] Гуан Хао Лоу. «Квантовая обработка сигналов с помощью однокубитной динамики». Кандидатская диссертация. Массачусетский Институт Технологий. (2017).

[42] Юлонг Донг, Сян Мэн, К. Биргитта Уэйли и Линь Линь. «Эффективная оценка фазового коэффициента при квантовой обработке сигналов». Физическое обозрение А 103, 042419 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.103.042419

[43] Юлун Донг, Линь Линь, Хункан Ни и Цзясу Ван. «Бесконечная квантовая обработка сигналов» (2022). arXiv:2209.10162.
Arxiv: 2209.10162

[44] Диптарка Хаит и Мартин Хед-Гордон. «Насколько точна теория функционала плотности в предсказании дипольных моментов? Оценка с использованием новой базы данных из 200 контрольных значений». Журнал химической теории и вычислений 14, 1969–1981 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.7b01252

[45] Цимин Сунь, Син Чжан, Самрагни Банерджи, Пэн Бао, Марк Барбри, Ник С. Блант, Николай А. Богданов, Джордж Х. Бут, Цзя Чен, Чжи-Хао Цуй, Янус Дж. Эриксен, Ян Гао, Шэн Го, Ян Херманн, Мэттью Р. Гермес, Кевин Кох, Питер Коваль, Сьюзи Лехтола, Жендонг Ли, Джунци Лью, Нарбе Мардироссян, Джеймс Д. МакКлейн, Марио Мотта, Бастьен Массар, Хунг К. Фам, Артем Пулкин, Вираван Пурванто, Пол Дж. Робинсон, Энрико Ронка, Эльвира Р. Сайфутьярова, Максимилиан Шерер, Генри Ф. Шуркус, Джеймс Э.Т. Смит, Чонг Сун, Ши-Нин Сун, Шив Упадхьяй, Лукас К. Вагнер, Сяо Ван, Алек Уайт, Джеймс Дэниэл Уитфилд, Марк Джей Уильямсон, Себастьян Воутерс, Цзюнь Ян, Джейсон М. Ю, Тянью Чжу, Тимоти С. Беркельбах, Сандип Шарма, Александр Ю. Соколов и Гранат Кин-Лик Чан. «Последние разработки в программном пакете PySCF». Журнал химической физики 153, 024109 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0006074

[46] Цимин Сан, Тимоти К. Беркельбах, Ник С. Блант, Джордж Х. Бут, Шэн Го, Чжендун Ли, Цзюньцзы Лю, Джеймс Д. Макклейн, Эльвира Р. Сайфутьярова, Сандип Шарма, Себастьян Воутерс и Гранат Кин-Лик Чан. «Pyscf: основа химического моделирования на основе Python». WIREs Computational Molecular Science 8, e1340 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1002 / wcms.1340

[47] Хуанчен Чжай и Гранат Кин-Лик Чан. «Алгоритмы группы перенормировки матрицы плотности с низким уровнем связи и высокой производительностью». Дж. Хим. Физ. 154, 224116 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0050902

[48] Доминик Маркс и Юрг Хуттер. «Молекулярная динамика Ab initio: теория и реализация». Современные методы и алгоритмы квантовой химии 1, 141 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511609633

[49] Джей Си Слейтер. «Вириальная и молекулярная структура». Журнал химической физики 1, 687–691 (1933).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1749227

[50] Джеффри Кон, Марио Мотта и Роберт М. Пэрриш. «Диагонализация квантового фильтра со сжатыми дважды факторизованными гамильтонианами». PRX Quantum 2, 040352 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040352

[51] Гуан Хао Лоу, Вадим Ключников и Люк Шеффер. «Обмен Т-гейтов на грязные кубиты при подготовке состояний и унитарном синтезе» (2018). arXiv: 1812.00954.
Arxiv: 1812.00954

Цитируется

[1] Игнасио Лоаиса и Артур Ф. Измайлов, «Блочно-инвариантный сдвиг симметрии: метод предварительной обработки гамильтонианов второго квантования для улучшения их разложения до линейной комбинации унитарных элементов», Журнал химической теории и вычислений acs.jctc.3c00912 (2023).

[2] Александр М. Далзелл, Сэм МакАрдл, Марио Берта, Пшемыслав Биениас, Чи-Фанг Чен, Андраш Гильен, Коннор Т. Ханн, Майкл Дж. Касторияно, Эмиль Т. Хабибуллин, Александр Кубица, Грант Солтон, Самсон Ван и Фернандо ГСЛ Брандао, «Квантовые алгоритмы: обзор приложений и сквозных сложностей», Arxiv: 2310.03011, (2023).

[3] Кристиан Л. Кортес, Маттиас Лойперсбергер, Роберт М. Пэрриш, Сэм Морли-Шорт, Уильям Пол, Сукин Сим, Марк Стойдтнер, Кристофер С. Таутерманн, Маттиас Дегроот, Николай Молл, Рафаэль Сантагати и Майкл Штрайф, «Ошибка» -толерантный квантовый алгоритм для теории возмущений, адаптированной к симметрии», Arxiv: 2305.07009, (2023).

[4] София Саймон, Раффаэле Сантагати, Маттиас Дегрооте, Николай Молл, Михаэль Штрайф и Натан Вибе, «Улучшенное точное масштабирование для моделирования связанной квантово-классической динамики», Arxiv: 2307.13033, (2023).

[5] Игнасио Лоаиса и Артур Ф. Измайлов, «Блочно-инвариантный сдвиг симметрии: метод предварительной обработки гамильтонианов второго квантования для улучшения их разложения до линейной комбинации унитарных элементов», Arxiv: 2304.13772, (2023).

Приведенные цитаты из Цитируемый сервис Crossref (последнее обновление успешно завершено 2023-11-13 12:50:11) и САО / НАСА ADS (последнее обновление успешно 2023-11-13 12:50:12). 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.

Отметка времени:

Больше от Квантовый журнал