Feltolerant kvantberäkning av molekylära observerbara objekt

Feltolerant kvantberäkning av molekylära observerbara objekt

Tidsstämpel: 6 november 2023 7:23

Mark Steudtner1, Sam Morley-Short1, William Pol1, Sukin Sim1, Cristian L. Cortes2, Matthias Loipersberger2, Robert M. Parrish2, Matthias Degroote3, Nikolaj Moll3, Raffaele Santagati3och Michael Streif3

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

Hitta det här uppsatsen intressant eller vill diskutera? Scite eller lämna en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Under de senaste tre decennierna har betydande minskningar gjorts av kostnaden för att uppskatta grundtillståndsenergier för molekylära Hamiltonianer med kvantdatorer. Emellertid har jämförelsevis liten uppmärksamhet ägnats åt att uppskatta förväntade värden för andra observerbara objekt med avseende på nämnda grundtillstånd, vilket är viktigt för många industriella tillämpningar. I detta arbete presenterar vi en ny kvantalgoritm för uppskattning av förväntade värden (EVE) som kan användas för att uppskatta förväntade värden för godtyckliga observerbara objekt med avseende på något av systemets egentillstånd. Speciellt överväger vi två varianter av EVE: std-EVE, baserad på standard kvantfasuppskattning, och QSP-EVE, som använder kvantsignalbehandlingstekniker (QSP). Vi tillhandahåller rigorös felanalys för båda varianterna och minimerar antalet individuella fasfaktorer för QSPEVE. Dessa felanalyser gör det möjligt för oss att producera kvantresursuppskattningar med konstant faktor för både std-EVE och QSP-EVE över en mängd olika molekylära system och observerbara objekt. För de övervägda systemen visar vi att QSP-EVE minskar (Toffoli) gate counts med upp till tre storleksordningar och minskar qubit bredd med upp till 25% jämfört med std-EVE. Medan uppskattade resursantal fortfarande är alldeles för höga för de första generationerna av feltoleranta kvantdatorer, markerar våra uppskattningar en första i sitt slag för både tillämpningen av förväntningsvärdesskattning och modern QSP-baserad teknik.

Feltolerant kvantberäkning av molekylära observerbara PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikal sökning. Ai.

► BibTeX-data

► Referenser

[1] David Poulin, Matthew B. Hastings, Dave Wecker, Nathan Wiebe, Andrew C. Doberty och Matthias Troyer. "Travstegstorleken som krävs för noggrann kvantsimulering av kvantkemi". Kvantinformation. Comput. 15, 361–384 (2015).
https: / / doi.org/ 10.5555 / 2871401.2871402

[2] Markus Reiher, Nathan Wiebe, Krysta M. Svore, Dave Wecker och Matthias Troyer. "Belysande reaktionsmekanismer på kvantdatorer". 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 och Hartmut Neven. "Kodning av elektroniska spektra i kvantkretsar med linjär T-komplexitet". Fysisk granskning X 8, 041015 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[4] Dominic W. Berry, Craig Gidney, Mario Motta, Jarrod R. McClean och Ryan Babbush. "Qubitization av godtycklig grund kvantkemi som utnyttjar sparsitet och låg rang faktorisering". 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 och Ryan Babbush. "Ännu effektivare kvantberäkningar av kemi genom tensorhyperkontraktion". PRX Quantum 2, 030305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030305

[6] Yuan Su, Dominic W. Berry, Nathan Wiebe, Nicholas Rubin och Ryan Babbush. "Feltoleranta kvantsimuleringar av kemi i första kvantisering". 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 och Eunseok Lee. "Feltolerant resursuppskattning för kvantkemiska simuleringar: Fallstudie på li-jonbatterielektrolytmolekyler". Phys. Rev. Forskning 4, 023019 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.023019

[8] Alain Delgado, Pablo A. M. Casares, Roberto dos Reis, Modjtaba Shokrian Zini, Roberto Campos, Norge Cruz-Hernández, Arne-Christian Voigt, Angus Lowe, Soran Jahangiri, M. A. Martin-Delgado, Jonathan E. Mueller och Juan Miguel Arrazola. "Simulerar nyckelegenskaper hos litiumjonbatterier med en feltolerant kvantdator". 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 och Matthias Troyer. "Kvantberäkning förbättrad beräkningskatalys". 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 och Nicholas C. Rubin. "Tillförlitlig bedömning av den elektroniska strukturen hos cytochrome p450 på dagens klassiska datorer och morgondagens kvantdatorer". 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, et al. "Effektiv kvantberäkning av molekylära krafter och andra energigradienter". Phys. Rev. Res. 4, 043210 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.043210

[12] Christopher J Cramer. "Det väsentliga i beräkningskemi: teorier och modeller". 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, och Clemens Utschig-Utschig. "Drogdesign på kvantdatorer" (2023). arXiv:2301.04114.
arXiv: 2301.04114

[14] Clifford W Fong. "Permeabilitet av blod-hjärnbarriären: molekylär mekanism för transport av läkemedel och fysiologiskt viktiga föreningar". The Journal of membrane biology 248, 651–669 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00232-015-9778-9

[15] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz och Rolando D. Somma. "Optimala kvantmätningar av förväntade värden för observerbara objekt". Physical Review A 75, 012328 (2007).
https: / ⠀ </ ⠀ <doi.org/†<10.1103 / ⠀ <physreva.75.012328

[16] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca och Alain Tapp. "Kvantumamplitudförstärkning och uppskattning". Samtida matematik 305, 53–74 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1090 / conm / 305 / 05215

[17] A. Yu. Kitaev. "Quantum measurements and the Abelian Stabilizer Problem" (1995). arXiv:quant-ph/​9511026.
arXiv: kvant-ph / 9511026

[18] David Poulin och Pawel Wocjan. "Förbereda marktillstånd för kvantsystem med många kroppar på en kvantdator". 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 och Matthias Troyer. "Kvantalgoritm för spektral mätning med ett lägre grindantal". Phys. Rev. Lett. 121, 010501 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.010501

[20] Yimin Ge, Jordi Tura och J. Ignacio Cirac. "Snabbare marktillståndsberedning och högprecisionsuppskattning av markenergi med färre qubits". Journal of Mathematical Physics 60, 022202 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5027484

[21] Lin Lin och Yu Tong. "Nästan optimal marktillståndsberedning". Quantum 4, 372 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-12-14-372

[22] Ruizhe Zhang, Guoming Wang och Peter Johnson. "Beräkning av marktillståndsegenskaper med tidiga feltoleranta kvantdatorer". Quantum 6, 761 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-11-761

[23] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz och Rolando D. Somma. "Optimala kvantmätningar av förväntade värden för observerbara objekt". Phys. Rev. A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328

[24] András Gilyén, Yuan Su, Guang Hao Low och Nathan Wiebe. "Quantum singular värdetransformation och bortom: exponentiella förbättringar för kvantmatrisaritmetik". I samband med det 51:a årliga ACM SIGACT-symposiet om datorteori. ACM (2019).

[25] Patrick Rall. "Kvantalgoritmer för att uppskatta fysiska kvantiteter med hjälp av blockkodningar". 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 och Ryan Babbush. "Nästan optimal kvantalgoritm för att uppskatta flera förväntade värden". Phys. Rev. Lett. 129, 240501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.240501

[27] Arjan Cornelissen, Yassine Hamoudi och Sofiene Jerbi. "Nästan optimala kvantalgoritmer för multivariat medeluppskattning". I samband med det 54:e årliga ACM SIGACT-symposiet om datorteori. Sidan 33–43. STOC 2022New York, NY, USA (2022). Föreningen för Datormaskiner.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3520045

[28] Guang Hao Low och Isaac L. Chuang. "Optimal Hamilton-simulering genom kvantsignalbehandling". Phys. Rev. Lett. 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501

[29] Patrick Rall. "Snabbare koherenta kvantalgoritmer för fas-, energi- och amplituduppskattning". Quantum 5, 566 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-10-19-566

[30] John M. Martyn, Zane M. Rossi, Andrew K. Tan och Isaac L. Chuang. "Stora förening av kvantalgoritmer". 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 och Michele Mosca. "Optimala kvantkretsar för allmän fasuppskattning". Phys. Rev. Lett. 98, 090501 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.090501

[32] Gumaro Rendon, Taku Izubuchi och Yuta Kikuchi. "Effekter av cosinusavsmalnande fönster på kvantfasuppskattning". Phys. Rev. D 106, 034503 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.106.034503

[33] Kosuke Mitarai, Kiichiro Toyoizumi och Wataru Mizukami. "Perturbationsteori med kvantsignalbehandling". 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 och Ryan Babbush. "Förbättrade tekniker för att förbereda egentillstånd för fermioniska hamiltonianer". npj Quantum Information 4, 22 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-018-0071-5

[35] Guang Hao Low och Isaac L. Chuang. "Hamiltonsk simulering genom Qubitization". Quantum 3, 163 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-07-12-163

[36] Yulong Dong, Lin Lin och Yu Tong. "Marktillståndsberedning och energiuppskattning på tidiga feltoleranta kvantdatorer via kvantegenvärdestransformation av enhetliga matriser". PRX Quantum 3, 040305 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.040305

[37] Earl T Campbell. "Tidiga feltoleranta simuleringar av Hubbard-modellen". Quantum Science and Technology 7, 015007 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 2058-9565 / ac3110

[38] Richard Cleve, Artur Ekert, Chiara Macchiavello och Michele Mosca. "Kvantalgoritmer återbesöks". Proceedings of the Royal Society of London. Serie A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 454, 339–354 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.1998.0164

[39] Craig Gidney. "Halvera kostnaden för kvanttillsats". Quantum 2, 74 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-06-18-74

[40] Jiasu Wang, Yulong Dong och Lin Lin. "Om energilandskapet för symmetrisk kvantsignalbehandling". Quantum 6, 850 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-11-03-850

[41] Guang Hao låg. "Kvantsignalbehandling med en-qubit-dynamik". Doktorsavhandling. Massachusetts Institute of Technology. (2017).

[42] Yulong Dong, Xiang Meng, K. Birgitta Whaley och Lin Lin. "Effektiv fasfaktorutvärdering i kvantsignalbehandling". Physical Review A 103, 042419 (2021).
https: / ⠀ </ ⠀ <doi.org/†<10.1103 / ⠀ <physreva.103.042419

[43] Yulong Dong, Lin Lin, Hongkang Ni och Jiasu Wang. "Oändlig kvantsignalbehandling" (2022). arXiv:2209.10162.
arXiv: 2209.10162

[44] Diptarka Hait och Martin Head-Gordon. "Hur exakt är densitetsfunktionella teorin när det gäller att förutsäga dipolmoment? En bedömning med hjälp av en ny databas med 200 riktvärden”. 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 E. T. 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 och Garnet Kin-Lic Chan. "Senaste utvecklingen av PySCF-programpaketet". 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 och Garnet Kin-Lic Chan. "Pyscf: de pythonbaserade simuleringarna av kemiramverket". WIREs Computational Molecular Science 8, e1340 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1002 / wcms.1340

[47] Huanchen Zhai och Garnet Kin-Lic Chan. "Låg kommunikation högpresterande ab initio densitet matris renormalisering grupp algoritmer". J. Chem. Phys. 154, 224116 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0050902

[48] Dominik Marx och Jurg Hutter. "Ab initio molekylär dynamik: teori och implementering". Moderna metoder och algoritmer för kvantkemi 1, 141 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511609633

[49] J.C. Slater. "Den viriala och molekylära strukturen". The Journal of Chemical Physics 1, 687–691 (1933).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1749227

[50] Jeffrey Cohn, Mario Motta och Robert M. Parrish. "Kvantfilterdiagonalisering med komprimerade dubbelfaktoriserade hamiltonianer". PRX Quantum 2, 040352 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040352

[51] Guang Hao Low, Vadym Kliuchnikov och Luke Schaeffer. "Handle T-gates för smutsiga qubits i tillståndsberedning och enhetlig syntes" (2018). arXiv:1812.00954.
arXiv: 1812.00954

Citerad av

[1] Ignacio Loaiza och Artur F. Izmaylov, "Block-Invariant Symmetry Shift: Preprocessing Technique for Second-Quantized Hamiltonians to Improve their Decompositions to Linear Combination of Unitarys", 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 och Fernando GSL Brandão, "Quantum algorithms: A survey of applications and end-to-end complexities", 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 och Michael Streif, “Fault -tolerant kvantalgoritm för symmetrianpassad störningsteori", arXiv: 2305.07009, (2023).

[4] Sophia Simon, Raffaele Santagati, Matthias Degroote, Nikolaj Moll, Michael Streif och Nathan Wiebe, "Förbättrad precisionsskalning för simulering av kopplad kvantklassisk dynamik", arXiv: 2307.13033, (2023).

[5] Ignacio Loaiza och Artur F. Izmaylov, "Block-Invariant Symmetry Shift: Preprocessing technique for second-quantized Hamiltonians för att förbättra deras nedbrytning till linjär kombination av enheter", arXiv: 2304.13772, (2023).

Ovanstående citat är från Crossrefs citerade service (senast uppdaterad framgång 2023-11-13 12:50:11) och SAO / NASA ADS (senast uppdaterad framgångsrikt 2023-11-13 12:50:12). Listan kan vara ofullständig eftersom inte alla utgivare tillhandahåller lämpliga och fullständiga citatdata.

Detta papper publiceras i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Upphovsrätten kvarstår med de ursprungliga upphovsrättsinnehavarna som författarna eller deras institutioner.

Tidsstämpel:

Mer från Quantum Journal