Nadzemno omejeno pletenje vezja za variacijsko kvantno dinamiko

Nadzemno omejeno pletenje vezja za variacijsko kvantno dinamiko

Časovni žig: 21. marec 2024 1:06

Gian Gentinetta, Friederike Metzin Giuseppe Carleo

Inštitut za fiziko, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Švica
Center za kvantno znanost in tehniko, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Švica

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

Minimalizem

Simulacija dinamike velikih kvantnih sistemov je mogočna, a ključna naloga za globlje razumevanje kvantnomehanskih pojavov. Medtem ko kvantni računalniki veliko obetajo za pospešitev takšnih simulacij, njihovo praktično uporabo še vedno ovirata omejen obseg in prodoren hrup. V tem delu predlagamo pristop, ki obravnava te izzive z uporabo pletenja vezja za razdelitev velikega kvantnega sistema na manjše podsisteme, od katerih je mogoče vsakega simulirati na ločeni napravi. Razvoj sistema ureja algoritem predvidene variacijske kvantne dinamike (PVQD), ki je dopolnjen z omejitvami parametrov variacijskega kvantnega vezja, kar zagotavlja, da ostane nadzorovana obremenitev vzorčenja, ki jo povzroča shema pletenja vezja. Našo metodo preizkušamo na kvantnih vrtilnih sistemih z več šibko zapletenimi bloki, od katerih je vsak sestavljen iz močno koreliranih vrtljajev, kjer lahko natančno simuliramo dinamiko, hkrati pa ohranjamo obvladljive stroške vzorčenja. Nadalje pokažemo, da je mogoče isto metodo uporabiti za zmanjšanje globine vezja z rezanjem vrat dolgega dosega.

Nadzemno omejeno pletenje vezja za variacijsko kvantno dinamiko PlatoBlockchain Data Intelligence. Navpično iskanje. Ai.

Predstavljena slika: stanje $|psi(varphi_{t-1})rangle$ razvijamo s časovnim korakom $Delta t$, medtem ko ohranjamo strukturo anzatza fiksno. To se doseže z optimizacijo variacijskih parametrov $varphi$, tako da je natančnost med razvitim stanjem $e^{-iHDelta t}|psi(varphi_{t-1})rangle$ in ansatz $|psi(varphi)rangle$ je maksimiziran. Za merjenje zanesljivosti na kvantnih napravah smo globalno kvantno vezje razrezali na podvezja s pletenjem vezja. To je posledica dodatnih stroškov vzorčenja $omega(varphi)$, ki so odvisni od variacijskih parametrov. Da bi nadzorovali režijske stroške, projiciramo parametre nazaj v podprostor, kjer je $omega(varphi) leq tau$ za neki prag $tau$ po vsakem koraku optimizacije.

Priljubljen povzetek

V tem delu simuliramo realnočasovno dinamiko kvantnih sistemov več teles, sestavljenih iz več šibko koreliranih podsistemov, tako da podsisteme porazdelimo na več kvantnih naprav. To dosežemo s tehniko, znano kot pletenje vezja, ki razgradi globalni kvantni kanal v lokalno uresničljive kanale prek kvaziverjetnostne porazdelitve. Za ceno dodatnih stroškov v številu meritev to omogoča klasično rekonstrukcijo prepletenosti med različnimi podsistemi. Na splošno se režijski stroški vzorčenja v času simulacije eksponentno povečajo zaradi prepletenosti med podsistemi, ki sčasoma narašča.

Kot glavni prispevek našega dela spreminjamo variacijski algoritem kvantne časovne evolucije (PVQD) z omejitvijo variacijskih parametrov na podprostor, kjer zahtevani stroški vzorčenja ostajajo pod obvladljivim pragom. Pokažemo, da s tem omejenim optimizacijskim algoritmom dosežemo visoko natančnost v časovnem razvoju kvantnih vrtilnih sistemov za realistične pragove. Natančnost simulacije je mogoče nadzorovati s prilagoditvijo tega novega hiperparametra, kar omogoča optimalne rezultate glede na fiksen proračun skupnih kvantnih virov.

► BibTeX podatki

► Reference

[1] Richard P. Feynman. “Simulacija fizike z računalniki”. International Journal of Theoretical Physics 21, 467–488 (1982).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02650179

[2] Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takita, Markus Brink, Jerry M. Chow in Jay M. Gambetta. "Strojno učinkovit variacijski kvantni lastni reševalec za majhne molekule in kvantne magnete". Narava 549, 242–246 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23879

[3] A. Chiesa, F. Tacchino, M. Grossi, P. Santini, I. Tavernelli, D. Gerace in S. Carretta. "Kvantna strojna oprema, ki simulira štiridimenzionalno neelastično sipanje nevtronov". Nature Physics 15, 455–459 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-019-0437-4

[4] Frank Arute idr. "Hartree-fock na superprevodnem kvantnem računalniku qubit". Znanost 369, 1084–1089 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.abb9811

[5] Frank Arute idr. »Opazovanje ločene dinamike naboja in vrtenja v fermi-hubbardovem modelu« (2020). arXiv:2010.07965.
arXiv: 2010.07965

[6] C. Neill et al. "Natančno izračunavanje elektronskih lastnosti kvantnega obroča". Narava 594, 508–512 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-021-03576-2

[7] J. Zhang, G. Pagano, PW Hess, A. Kyprianidis, P. Becker, H. Kaplan, AV Gorškov, ZX Gong in C. Monroe. "Opazovanje dinamičnega faznega prehoda več teles s 53-kubitnim kvantnim simulatorjem". Narava 551, 601–604 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature24654

[8] James Dborin, Vinul Wimalaweera, F. Barratt, Eric Ostby, Thomas E. O'Brien in AG Green. “Simulacija osnovnega stanja in dinamičnih kvantnih faznih prehodov na superprevodnem kvantnem računalniku”. Nature Communications 13, 5977 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-022-33737-4

[9] Sepehr Ebadi, Tout T. Wang, Harry Levine, Alexander Keesling, Giulia Semeghini, Ahmed Omran, Dolev Bluvstein, Rhine Samajdar, Hannes Pichler, Wen Wei Ho, Soonwon Choi, Subir Sachdev, Markus Greiner, Vladan Vuletić in Mikhail D. Lukin . "Kvantne faze snovi na 256-atomskem programabilnem kvantnem simulatorju". Narava 595, 227–232 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-021-03582-4

[10] Ehud Altman. “Lokalizacija več teles in kvantna termalizacija”. Nature Physics 14, 979–983 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-018-0305-7

[11] Wibe A. de Jong, Kyle Lee, James Mulligan, Mateusz Płoskoń, Felix Ringer in Xiaojun Yao. “Kvantna simulacija neravnovesne dinamike in termalizacija v schwingerjevem modelu”. Phys. Rev. D 106, 054508 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.106.054508

[12] Youngseok Kim, Andrew Eddins, Sajant Anand, Ken Xuan Wei, Ewout van den Berg, Sami Rosenblatt, Hasan Nayfeh, Yantao Wu, Michael Zaletel, Kristan Temme in Abhinav Kandala. "Dokazi o uporabnosti kvantnega računalništva pred toleranco napak". Nature 618, 500–505 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-023-06096-3

[13] Andrew M. Childs, Dmitri Maslov, Yunseong Nam, Neil J. Ross in Yuan Su. "Proti prvi kvantni simulaciji s kvantno pospešitvijo". Zbornik Nacionalne akademije znanosti 115, 9456–9461 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1801723115

[14] 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". Phys. Rev. X 8, 041015 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[15] Yunseong Nam in Dmitri Maslov. "Nizkocenovna kvantna vezja za klasično nerešljive primere problema simulacije hamiltonove dinamike". npj Kvantne informacije 5, 44 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0152-0

[16] Mario Motta, Erika Ye, Jarrod R. McClean, Zhendong Li, Austin J. Minnich, Ryan Babbush in Garnet Kin-Lic Chan. “Predstavitve nizkega ranga za kvantno simulacijo elektronske strukture”. npj Kvantne informacije 7, 83 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-021-00416-z

[17] Jay Gambetta. "Razširitev časovnega načrta IBM Quantum za predvidevanje prihodnosti kvantno osredotočenega superračunalništva". url: https://​/​research.ibm.com/​blog/​ibm-quantum-roadmap-2025.
https://​/​research.ibm.com/​blog/​ibm-quantum-roadmap-2025

[18] John Preskill. "Kvantno računalništvo v dobi NISQ in pozneje". Quantum 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[19] Sergey Bravyi, Graeme Smith in John A. Smolin. »Trgovanje s klasičnimi in kvantnimi računalniškimi viri«. Phys. Rev. X 6, 021043 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.021043

[20] Tianyi Peng, Aram W. Harrow, Maris Ozols in Xiaodi Wu. "Simulacija velikih kvantnih vezij na majhnem kvantnem računalniku". Phys. Rev. Lett. 125, 150504 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.150504

[21] Kosuke Mitarai in Keisuke Fujii. "Konstruiranje virtualnih dvokubitnih vrat z vzorčenjem enojnih kubitnih operacij". New Journal of Physics 23, 023021 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / abd7bc

[22] Kosuke Mitarai in Keisuke Fujii. „Režijski stroški za simulacijo nelokalnega kanala z lokalnimi kanali s kvaziverjetnostnim vzorčenjem“. Quantum 5, 388 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-28-388

[23] Christophe Piveteau in David Sutter. “Kletarstvo v vezju s klasično komunikacijo”. IEEE Transactions on Information TheoryPage 1–1 (2024).
https: / / doi.org/ 10.1109 / tit.2023.3310797

[24] Zhuo Fan in Quan-lin Jie. “Teorija vdelave matrike gostote grozdov za kvantne spinske sisteme”. Phys. Rev. B 91, 195118 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.91.195118

[25] Klaas Gunst, Sebastian Wouters, Stijn De Baerdemacker in Dimitri Van Neck. "Teorija vdelave matrike gostote blokovnega produkta za močno korelirane spinske sisteme". Phys. Rev. B 95, 195127 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.95.195127

[26] Takeshi Yamazaki, Shunji Matsuura, Ali Narimani, Anushervon Saidmuradov in Arman Zaribafiyan. »K praktični uporabi bližnjeročnih kvantnih računalnikov v simulacijah kvantne kemije: pristop razgradnje problema« (2018). arXiv:1806.01305.
arXiv: 1806.01305

[27] Max Rossmannek, Panagiotis Kl. Barkoutsos, Pauline J. Ollitrault in Ivano Tavernelli. »Kvantni algoritmi za vgradnjo HF/​DFT za izračune elektronske strukture: Povečanje v kompleksne molekularne sisteme«. The Journal of Chemical Physics 154, 114105 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0029536

[28] Andrew Eddins, Mario Motta, Tanvi P. Gujarati, Sergey Bravyi, Antonio Mezzacapo, Charles Hadfield in Sarah Sheldon. "Podvojitev velikosti kvantnih simulatorjev s kovanjem prepletenosti". PRX Quantum 3, 010309 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010309

[29] Patrick Huembeli, Giuseppe Carleo in Antonio Mezzacapo. »Kovanje prepletenosti z modeli generativnih nevronskih mrež« (2022). arXiv:2205.00933.
arXiv: 2205.00933

[30] Paulin de Schoulepnikoff, Oriel Kiss, Sofia Vallecorsa, Giuseppe Carleo in Michele Grossi. »Hibridni kvantni algoritmi osnovnega stanja, ki temeljijo na nevronskem schrödingerjevem kovanju« (2023). arXiv:2307.02633.
arXiv: 2307.02633

[31] Abigail McClain Gomez, Taylor L. Patti, Anima Anandkumar in Susanne F. Yelin. »Krajšnje porazdeljeno kvantno računanje z uporabo popravkov srednjega polja in pomožnih kubitov« (2023). arXiv:2309.05693.
arXiv: 2309.05693

[32] Stefano Barison, Filippo Vicentini in Giuseppe Carleo. »Vdelava klasičnih variacijskih metod v kvantna vezja« (2023). arXiv:2309.08666.
arXiv: 2309.08666

[33] Xiao Yuan, Jinzhao Sun, Junyu Liu, Qi Zhao in You Zhou. “Kvantna simulacija s hibridnimi tenzorskimi mrežami”. Phys. Rev. Lett. 127, 040501 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.040501

[34] Jinzhao Sun, Suguru Endo, Huiping Lin, Patrick Hayden, Vlatko Vedral in Xiao Yuan. “Perturbativna kvantna simulacija”. Phys. Rev. Lett. 129, 120505 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.120505

[35] J. Eisert, M. Cramer in MB Plenio. “Kolokvij: Površinski zakoni za entropijo prepletenosti”. Rev. Mod. Phys. 82, 277–306 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.82.277

[36] Ulrich Schollwöck. "Skupina za renormalizacijo matrike gostote v dobi produktnih stanj matrike". Annals of Physics 326, 96–192 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.aop.2010.09.012

[37] Jin-Guo Liu, Yi-Hong Zhang, Yuan Wan in Lei Wang. "Variacijski kvantni lastni reševalec z manj kubiti". Phys. Rev. Res. 1, 023025 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.1.023025

[38] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C. Benjamin in Xiao Yuan. "Kvantna računalniška kemija". Rev. Mod. Phys. 92, 015003 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.015003

[39] G. Kotliar, SY Savrasov, K. Haule, VS Oudovenko, O. Parcollet in CA Marianetti. “Izračuni elektronske strukture s teorijo dinamičnega srednjega polja”. Reviews of Modern Physics 78, 865–951 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / revmodphys.78.865

[40] Qiming Sun in Garnet Kin-Lic Chan. “Teorije kvantne vgradnje”. Računi kemijskih raziskav 49, 2705–2712 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acs.accounts.6b00356

[41] Stefano Barison, Filippo Vicentini in Giuseppe Carleo. “Učinkovit kvantni algoritem za časovno evolucijo parametriziranih vezij”. Quantum 5, 512 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-07-28-512

[42] PAM Dirac. "Opomba o izmenjalnih pojavih v Thomasovem atomu". Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 26, 376–385 (1930).
https: / / doi.org/ 10.1017 / S0305004100016108

[43] Jacov Frenkel. "Mehanika valov: napredna splošna teorija". London: Oxford University Press. (1934).
https: / / doi.org/ 10.1017 / s0025557200203604

[44] AD McLachlan. “Variacijska rešitev časovno odvisne schrodingerjeve enačbe”. Molecular Physics 8, 39–44 (1964).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00268976400100041

[45] Xiao Yuan, Suguru Endo, Qi Zhao, Ying Li in Simon C. Benjamin. “Teorija variacijske kvantne simulacije”. Quantum 3, 191 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-10-07-191

[46] Julien Gacon, Jannes Nys, Riccardo Rossi, Stefan Woerner in Giuseppe Carleo. "Variacijska kvantna časovna evolucija brez kvantno geometrijskega tenzorja". Physical Review Research 6 (2024).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.6.013143

[47] R. Cleve, A. Ekert, C. Macchiavello in M. 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

[48] Vojtěch Havlíček, Antonio D. Córcoles, Kristan Temme, Aram W. Harrow, Abhinav Kandala, Jerry M. Chow in Jay M. Gambetta. "Nadzorovano učenje s kvantno izboljšanimi prostori funkcij". Narava 567, 209–212 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-0980-2

[49] M. Cerezo, Akira Sone, Tyler Volkoff, Lukasz Cincio in Patrick J. Coles. "Od stroškovne funkcije odvisni neplodni platoji v plitvih parametriziranih kvantnih vezjih". Nature Communications 12, 1791 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-021-21728-w

[50] Tobias Haug in MS Kim. »Optimalno usposabljanje variacijskih kvantnih algoritmov brez pustih platojev« (2021). arXiv:2104.14543.
arXiv: 2104.14543

[51] Lukas Schmitt, Christophe Piveteau in David Sutter. »Rezalna vezja z več dvokubitnimi enotami« (2023). arXiv:2312.11638.
arXiv: 2312.11638

[52] Christian Ufrecht, Laura S. Herzog, Daniel D. Scherer, Maniraman Periyasamy, Sebastian Rietsch, Axel Plinge in Christopher Mutschler. »Optimalno rezanje spoja dvokubitnih rotacijskih vrat« (2023). arXiv:2312.09679.
arXiv: 2312.09679

[53] Diederik P. Kingma in Jimmy Ba. »Adam: Metoda za stohastično optimizacijo« (2017). arXiv:1412.6980.
arXiv: 1412.6980

[54] Michael A. Nielsen in Isaac L. Chuang. “Kvantno računanje in kvantne informacije: izdaja ob 10. obletnici”. Cambridge University Press. (2010).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[55] Sajant Anand, Kristan Temme, Abhinav Kandala in Michael Zaletel. »Klasična primerjalna analiza ničelne ekstrapolacije hrupa onkraj natančno preverljivega režima« (2023). arXiv:2306.17839.
arXiv: 2306.17839

[56] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J. Love, Alán Aspuru-Guzik in Jeremy L. O'Brien. "Variacijski reševalec lastnih vrednosti na fotonskem kvantnem procesorju". Nature Communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[57] Tuhin Khare, Ritajit Majumdar, Rajiv Sangle, Anupama Ray, Padmanabha Venkatagiri Seshadri in Yogesh Simmhan. »Vzporedna kvantno-klasična delovna obremenitev: Profiliranje vpliva tehnik cepljenja« (2023). arXiv:2305.06585.
arXiv: 2305.06585

[58] Sebastian Brandhofer, Ilia Polian in Kevin Krsulich. »Optimalna razdelitev kvantnih vezij z uporabo rezov vrat in rezov žice« (2023). arXiv:2308.09567.
arXiv: 2308.09567

[59] Daniele Cuomo, Marcello Caleffi in Angela Sara Cacciapuoti. "Na poti k porazdeljenemu ekosistemu kvantnega računalništva". IET Quantum Communication 1, 3–8 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1049/​iet-qtc.2020.0002

[60] Jeff Bezanson, Alan Edelman, Stefan Karpinski in Viral B Shah. “Julia: Nov pristop k numeričnemu računalništvu”. SIAM Review 59, 65–98 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 141000671

[61] Xiu-Zhe Luo, Jin-Guo Liu, Pan Zhang in Lei Wang. “Yao.jl: Razširljiv, učinkovit okvir za načrtovanje kvantnih algoritmov”. Quantum 4, 341 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-10-11-341

[62] Gian Gentinetta, Friederike Metz in Giuseppe Carleo. “Koda za rokopis Nadzemno omejeno pletenje vezja za variacijsko kvantno dinamiko”. Github (2024).
https: / / doi.org/ 10.5281 / zenodo.10829066

Navedel

[1] Travis L. Scholten, Carl J. Williams, Dustin Moody, Michele Mosca, William Hurley, William J. Zeng, Matthias Troyer in Jay M. Gambetta, »Ocena koristi in tveganj kvantnih računalnikov«, arXiv: 2401.16317, (2024).

[2] Julien Gacon, "Razširljivi kvantni algoritmi za hrupne kvantne računalnike", arXiv: 2403.00940, (2024).

Zgornji citati so iz SAO / NASA ADS (zadnjič posodobljeno 2024-03-22 05:07:54). Seznam je morda nepopoln, saj vsi založniki ne dajejo ustreznih in popolnih podatkov o citiranju.

On Crossref je navedel storitev ni bilo najdenih podatkov o navajanju del (zadnji poskus 2024-03-22 05:07:53).

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