Kvantno računanje molekularnih opazovalcev, odporno na napake

Kvantno računanje molekularnih opazovalcev, odporno na napake

Časovni žig: 6. november 2023 7:23

Mark Steudtner1, Sam Morley-Kratek1, William Pol1, Sukin Sim1, Cristian L. Cortes2, Matija Loipersberger2, Robert M. Parrish2, Matthias Degroote3, Nikolaj Moll3, Raffaele Santagati3in Michael Streif3

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

Se vam zdi ta članek zanimiv ali želite razpravljati? Zaslišite ali pustite komentar na SciRate.

Minimalizem

V zadnjih treh desetletjih so se znatno znižali stroški ocenjevanja energij osnovnega stanja molekularnih hamiltonianov s kvantnimi računalniki. Vendar je bilo sorazmerno malo pozornosti namenjene ocenjevanju pričakovanih vrednosti drugih opazovanih glede na omenjena osnovna stanja, kar je pomembno za številne industrijske aplikacije. V tem delu predstavljamo nov kvantni algoritem za oceno vrednosti pričakovanja (EVE), ki ga je mogoče uporabiti za oceno vrednosti pričakovanj poljubnih opazovanih glede na katero koli lastno stanje sistema. Predvsem upoštevamo dve različici EVE: std-EVE, ki temelji na standardni oceni kvantne faze, in QSP-EVE, ki uporablja tehnike kvantne obdelave signalov (QSP). Zagotavljamo natančno analizo napak za obe različici in minimiziramo število posameznih faznih faktorjev za QSPEVE. Te analize napak nam omogočajo izdelavo ocen kvantnih virov s konstantnim faktorjem za std-EVE in QSP-EVE v različnih molekularnih sistemih in opazovanjih. Za obravnavane sisteme smo pokazali, da QSP-EVE zmanjša število vrat (Toffoli) za do tri velikostne rede in zmanjša širino kubita za do 25 % v primerjavi s std-EVE. Medtem ko je ocenjeno število virov še vedno veliko previsoko za prve generacije kvantnih računalnikov, odpornih na napake, so naše ocene prve te vrste tako za uporabo ocene pričakovane vrednosti kot za sodobne tehnike, ki temeljijo na QSP.

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

► BibTeX podatki

► Reference

[1] David Poulin, Matthew B. Hastings, Dave Wecker, Nathan Wiebe, Andrew C. Doberty in Matthias Troyer. "Velikost kasaškega koraka, potrebna za natančno kvantno simulacijo kvantne kemije". Kvantne informacije. Računalništvo. 15, 361–384 (2015).
https: / / doi.org/ 10.5555 / 2871401.2871402

[2] Markus Reiher, Nathan Wiebe, Krysta M. Svore, Dave Wecker in Matthias Troyer. "Razjasnitev reakcijskih mehanizmov na kvantnih računalnikih". Zbornik Nacionalne akademije znanosti 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 in Hartmut Neven. "Kodiranje elektronskih spektrov v kvantnih vezjih z linearno kompleksnostjo T". 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 in Ryan Babbush. "Kubitizacija poljubne bazične kvantne kemije, ki izkorišča redkost in faktorizacijo nizkega ranga". 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 in Ryan Babbush. "Še učinkovitejši kvantni izračuni kemije s tenzorsko hiperkontrakcijo". PRX Quantum 2, 030305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030305

[6] Yuan Su, Dominic W. Berry, Nathan Wiebe, Nicholas Rubin in Ryan Babbush. "Kvantne simulacije kemije, odporne na napake, v prvi kvantizaciji". 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 in Eunseok Lee. »Ocena virov, odporna na napake, za kvantno kemijske simulacije: študija primera o molekulah elektrolitov litij-ionske baterije«. Phys. 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 in Juan Miguel Arrazola. "Simulacija ključnih lastnosti litij-ionskih baterij s kvantnim računalnikom, odpornim na napake". Phys. 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 in Matthias Troyer. "Kvantno računalništvo je izboljšalo računalniško katalizo". Phys. 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 in Nicholas C. Rubin. “Zanesljivo ocenjevanje elektronske strukture citokroma p450 na današnjih klasičnih računalnikih in jutrišnjih kvantnih računalnikih”. Zbornik Nacionalne akademije znanosti 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 idr. "Učinkovito kvantno računanje molekularnih sil in drugih gradientov energije". Phys. Rev. Res. 4, 043210 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.043210

[12] Christopher J Cramer. “Osnove računalniške kemije: teorije in modeli”. 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, in Clemens Utschig-Utschig. »Načrtovanje zdravil na kvantnih računalnikih« (2023). arXiv:2301.04114.
arXiv: 2301.04114

[14] Clifford W Fong. "Prepustnost krvno-možganske pregrade: molekularni mehanizem transporta zdravil in fiziološko pomembnih spojin". The Journal of membrane biology 248, 651–669 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00232-015-9778-9

[15] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz in Rolando D. Somma. “Optimalne kvantne meritve pričakovanih vrednosti opazovanih”. Physical Review A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.75.012328

[16] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca in Alain Tapp. "Kvantno ojačanje in ocena amplitude". Sodobna matematika 305, 53–74 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1090 / conm / 305/05215

[17] A. Yu. Kitaev. »Kvantne meritve in problem Abelovega stabilizatorja« (1995). arXiv:quant-ph/​9511026.
arXiv: kvant-ph / 9511026

[18] David Poulin in Pawel Wocjan. "Priprava osnovnih stanj kvantnih sistemov več teles na kvantnem računalniku". Physical Review Letters 102, 130503 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.102.130503

[19] David Poulin, Aleksej Kitajev, Damian S. Steiger, Matthew B. Hastings in Matthias Troyer. "Kvantni algoritem za spektralno merjenje z nižjim številom vrat". Phys. Rev. Lett. 121, 010501 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.010501

[20] Yimin Ge, Jordi Tura in J. Ignacio Cirac. »Hitrejša priprava osnovnega stanja in visoko natančna ocena zemeljske energije z manj kubiti«. Journal of Mathematical Physics 60, 022202 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5027484

[21] Lin Lin in Yu Tong. "Skoraj optimalna priprava na osnovno stanje". Quantum 4, 372 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-12-14-372

[22] Ruizhe Zhang, Guoming Wang in Peter Johnson. "Računanje lastnosti osnovnega stanja z zgodnjimi kvantnimi računalniki, odpornimi na napake". Quantum 6, 761 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-11-761

[23] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz in Rolando D. Somma. “Optimalne kvantne meritve pričakovanih vrednosti opazovanih”. Phys. Rev. A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328

[24] András Gilyén, Yuan Su, Guang Hao Low in Nathan Wiebe. "Kvantna singularna transformacija vrednosti in več: eksponentne izboljšave za kvantno matrično aritmetiko". V zborniku 51. letnega simpozija ACM SIGACT o teoriji računalništva. ACM (2019).

[25] Patrick Rall. “Kvantni algoritmi za ocenjevanje fizikalnih količin z uporabo blokovnih kodiranj”. Phys. 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 in Ryan Babbush. "Skoraj optimalen kvantni algoritem za ocenjevanje več pričakovanih vrednosti". Phys. Rev. Lett. 129, 240501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.240501

[27] Arjan Cornelissen, Yassine Hamoudi in Sofiene Jerbi. "Skoraj optimalni kvantni algoritmi za multivariatno srednjo oceno". V zborniku 54. letnega simpozija ACM SIGACT o teoriji računalništva. Stran 33–43. STOC 2022 New York, NY, ZDA (2022). Združenje za računalniške stroje.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3520045

[28] Guang Hao Low in Isaac L. Chuang. “Optimalna hamiltonova simulacija s kvantno obdelavo signalov”. Phys. Rev. Lett. 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501

[29] Patrick Rall. »Hitrejši koherentni kvantni algoritmi za oceno faze, energije in amplitude«. Quantum 5, 566 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-10-19-566

[30] John M. Martyn, Zane M. Rossi, Andrew K. Tan in Isaac L. Chuang. “Velika združitev kvantnih algoritmov”. 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 in Michele Mosca. “Optimalna kvantna vezja za splošno fazno oceno”. Phys. Rev. Lett. 98, 090501 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.090501

[32] Gumaro Rendon, Taku Izubuchi in Yuta Kikuchi. "Učinki kosinusnega zoženega okna na oceno kvantne faze". Phys. Rev. D 106, 034503 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.106.034503

[33] Kosuke Mitarai, Kiichiro Toyoizumi in Wataru Mizukami. “Teorija motenj s kvantno obdelavo signalov”. 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 in Ryan Babbush. "Izboljšane tehnike za pripravo lastnih stanj fermionskih hamiltonianov". npj Kvantne informacije 4, 22 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-018-0071-5

[35] Guang Hao Low in Isaac L. Chuang. "Hamiltonova simulacija s kubitizacijo". Quantum 3, 163 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-07-12-163

[36] Yulong Dong, Lin Lin in Yu Tong. "Priprava osnovnega stanja in ocena energije na zgodnjih kvantnih računalnikih, odpornih na napake, prek kvantne transformacije lastnih vrednosti enotnih matrik". PRX Quantum 3, 040305 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.040305

[37] Earl T Campbell. "Zgodnje simulacije Hubbardovega modela, odporne na napake". Kvantna znanost in tehnologija 7, 015007 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ac3110

[38] Richard Cleve, Artur Ekert, Chiara Macchiavello in Michele Mosca. "Ponovni pregled kvantnih algoritmov". Zbornik Kraljeve družbe v Londonu. Serija A: Matematične, fizikalne in inženirske vede 454, 339–354 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.1998.0164

[39] Craig Gidney. "Prepolovitev stroškov kvantnega dodajanja". Quantum 2, 74 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-06-18-74

[40] Jiasu Wang, Yulong Dong in Lin Lin. "O energetski krajini simetrične kvantne obdelave signalov". Quantum 6, 850 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-11-03-850

[41] Guang Hao Low. "Kvantna obdelava signala z dinamiko enega kubita". doktorsko delo. Massachusetts Institute of Technology. (2017).

[42] Yulong Dong, Xiang Meng, K. Birgitta Whaley in Lin Lin. “Učinkovito vrednotenje faznega faktorja pri kvantni obdelavi signalov”. Physical Review A 103, 042419 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.103.042419

[43] Yulong Dong, Lin Lin, Hongkang Ni in Jiasu Wang. »Neskončna kvantna obdelava signalov« (2022). arXiv:2209.10162.
arXiv: 2209.10162

[44] Diptarka Hait in Martin Head-Gordon. »Kako natančna je teorija funkcionalne gostote pri napovedovanju dipolnih momentov? Ocena z uporabo nove baze podatkov z 200 referenčnimi vrednostmi. Revija za kemijsko teorijo in računalništvo 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 in Garnet Kin-Lic Chan. “Nedavni razvoj v programskem paketu PySCF”. 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 in Garnet Kin-Lic Chan. "Pyscf: simulacije kemijskega okvira, ki temeljijo na Pythonu". Računalniška molekularna znanost WIREs 8, e1340 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1002 / wcms.1340

[47] Huanchen Zhai in Garnet Kin-Lic Chan. »Algoritmi renormalizacijske skupine ab initio matrike gostote z nizko komunikacijo in visoko zmogljivostjo«. J. Chem. Phys. 154, 224116 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0050902

[48] Dominik Marx in Jurg Hutter. “Ab initio molekularna dinamika: teorija in implementacija”. Sodobne metode in algoritmi kvantne kemije 1, 141 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511609633

[49] JC Slater. "Virusna in molekularna struktura". Journal of Chemical Physics 1, 687–691 (1933).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1749227

[50] Jeffrey Cohn, Mario Motta in Robert M. Parrish. "Diagonalizacija kvantnega filtra s stisnjenimi dvojno faktoriziranimi hamiltoniani". PRX Quantum 2, 040352 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040352

[51] Guang Hao Low, Vadym Kliuchnikov in Luke Schaeffer. »Trgovanje s T-vrati za umazane kubite pri pripravi stanja in enotni sintezi« (2018). arXiv:1812.00954.
arXiv: 1812.00954

Navedel

[1] Ignacio Loaiza in Artur F. Izmaylov, »Block-Invariant Symmetry Shift: Preprocessing Technique for Second-Quantized Hamiltonians to Improve Their Decompositions to Linear Combination of Unitaries«, Revija za kemijsko teorijo in računalništvo 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 in Fernando GSL Brandão, "Kvantni algoritmi: pregled aplikacij in kompleksnosti od konca do konca", 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 in Michael Streif, »Fault -toleranten kvantni algoritem za simetrično prilagojeno teorijo motenj”, arXiv: 2305.07009, (2023).

[4] Sophia Simon, Raffaele Santagati, Matthias Degroote, Nikolaj Moll, Michael Streif in Nathan Wiebe, »Izboljšano natančno skaliranje za simulacijo sklopljene kvantno-klasične dinamike«, arXiv: 2307.13033, (2023).

[5] Ignacio Loaiza in Artur F. Izmaylov, »Block-Invariant Symmetry Shift: Tehnika predprocesiranja za drugo kvantizirane hamiltoniane za izboljšanje njihove razgradnje na linearno kombinacijo enotnosti«, arXiv: 2304.13772, (2023).

Zgornji citati so iz Crossref je navedel storitev (zadnjič posodobljeno 2023-11-13 12:50:11) in SAO / NASA ADS (zadnjič posodobljeno 2023-11-13 12:50:12). Seznam je morda nepopoln, saj vsi založniki ne dajejo ustreznih in popolnih podatkov o citiranju.

Ta dokument je objavljen v Quantumu pod Priznanje avtorstva Creative Commons 4.0 International (CC BY 4.0) licenca. Avtorske pravice ostajajo pri izvirnih imetnikih avtorskih pravic, kot so avtorji ali njihove ustanove.

Časovni žig:

Več od Quantum Journal