Overhead-begränsad kretsstickning för varierande kvantdynamik

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Gian Gentinetta, Friederike Metzoch Giuseppe Carleo

Institutet för fysik, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Schweiz
Centre for Quantum Science and Engineering, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Schweiz

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

Abstrakt

Att simulera dynamiken i stora kvantsystem är en formidabel men ändå viktig strävan för att få en djupare förståelse av kvantmekaniska fenomen. Även om kvantdatorer lovar mycket för att påskynda sådana simuleringar, hindras deras praktiska tillämpning fortfarande av begränsad skala och genomgående brus. I detta arbete föreslår vi ett tillvägagångssätt som tar itu med dessa utmaningar genom att använda kretsstickning för att dela upp ett stort kvantsystem i mindre delsystem som var och en kan simuleras på en separat enhet. Systemets utveckling styrs av algoritmen för projicerad variationskvantumdynamik (PVQD), kompletterad med begränsningar på parametrarna för den variationsmässiga kvantkretsen, vilket säkerställer att samplingsoverheaden som åläggs av kretsstickningsschemat förblir kontrollerbar. Vi testar vår metod på kvantspinnsystem med flera svagt intrasslade block som vart och ett består av starkt korrelerade spinn, där vi kan simulera dynamiken exakt samtidigt som samplingsoverheaden är hanterbar. Vidare visar vi att samma metod kan användas för att minska kretsdjupet genom att skära grindar med lång räckvidd.

Overhead-begränsad kretsstickning för varierande kvantdynamik PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikal sökning. Ai.

Utvald bild: Vi utvecklar tillståndet $|psi(varphi_{t-1})rangle$ med ett tidssteg $Delta t$ samtidigt som strukturen för ansatzen behålls. Detta uppnås genom att optimera variationsparametrarna $varphi$ så att troheten mellan det utvecklade tillståndet $e^{-iHDelta t}|psi(varphi_{t-1})rangle$ och ansatz $|psi(varphi)rangle$ är maximerad. För att mäta troheten på kvantenheterna skär vi den globala kvantkretsen i underkretsar med hjälp av kretsstickning. Detta kommer på bekostnad av en samplingsoverhead $omega(varphi)$ som beror på variationsparametrarna. För att kontrollera overheaden projicerar vi parametrarna tillbaka till underutrymmet där $omega(varphi) leq tau$ för en viss tröskel $tau$ efter varje optimeringssteg.

Populär sammanfattning

I detta arbete simulerar vi realtidsdynamiken hos kvantmångkroppssystem som består av flera svagt korrelerade delsystem genom att distribuera delsystemen på flera kvantenheter. Detta uppnås med en teknik som kallas kretsstickning som bryter ned en global kvantkanal till lokalt realiserbara kanaler genom en kvasi-sannolikhetsfördelning. Till bekostnad av en overhead i antalet mätningar gör detta att man klassiskt kan rekonstruera intrasslingen mellan de olika delsystemen. I allmänhet skalar samplingsoverheaden exponentiellt under simuleringstiden på grund av att intrasslingen mellan delsystemen växer över tiden.

Som det huvudsakliga bidraget från vårt arbete, modifierar vi en variationsalgoritm för kvanttidsutveckling (PVQD) genom att begränsa variationsparametrarna till ett underutrymme där den nödvändiga samplingsoverheaden förblir under en hanterbar tröskel. Vi visar att genom denna begränsade optimeringsalgoritm uppnår vi hög trohet i tidsutvecklingen av kvantspinnsystem för realistiska trösklar. Noggrannheten i simuleringen kan kontrolleras genom att justera denna nya hyperparameter, vilket möjliggör optimala resultat givet en fast budget av totala kvantresurser.

► BibTeX-data

@artikel{Gentinetta2024overheadconstrained, doi = {10.22331/q-2024-03-21-1296}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2024-03-21-1296}, title = {Overhead-begränsad kretsstickning för variationsmässig kvantdynamik}, författare = {Gentinetta, Gian och Metz, Friederike och Carleo, Giuseppe}, journal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, utgivare = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volym = {8}, sidor = {1296}, månad = mar, år = {2024} }

► Referenser

[1] Richard P. Feynman. "Simulera fysik med datorer". 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 och Jay M. Gambetta. "Hårdvarueffektiv variationskvantumegenlösare för små molekyler och kvantmagneter". Nature 549, 242–246 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23879

[3] A. Chiesa, F. Tacchino, M. Grossi, P. Santini, I. Tavernelli, D. Gerace och S. Carretta. "Quantum hårdvara som simulerar fyrdimensionell oelastisk neutronspridning". Nature Physics 15, 455–459 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41567-019-0437-4

[4] Frank Arute et al. "Hartree-fock på en supraledande qubit kvantdator". Science 369, 1084–1089 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.abb9811

[5] Frank Arute et al. "Observation av separerad dynamik av laddning och spin i fermi-hubbard-modellen" (2020). arXiv:2010.07965.
arXiv: 2010.07965

[6] C. Neill et al. "Exakt beräkna de elektroniska egenskaperna hos en kvantring". Nature 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 Gorshkov, ZX Gong och C. Monroe. "Observation av en dynamisk fasövergång med många kroppar med en 53-qubit kvantsimulator". Nature 551, 601–604 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature24654

[8] James Dborin, Vinul Wimalaweera, F. Barratt, Eric Ostby, Thomas E. O'Brien och AG Green. "Simulera grundtillstånd och dynamiska kvantfasövergångar på en supraledande kvantdator". 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 och Mikhail D. Lukin . "Kvantfaser av materia på en programmerbar kvantsimulator med 256 atomer". Nature 595, 227–232 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03582-4

[10] Ehud Altman. "Mångkroppslokalisering och kvanttermalisering". 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 och Xiaojun Yao. "Kvantsimulering av icke-jämviktsdynamik och termalisering i schwingermodellen". 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 och Abhinav Kandala. "Bevis för användbarheten av kvantberäkning före feltolerans". 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 och Yuan Su. "Mot den första kvantsimuleringen med kvanthastighet". Proceedings of the National Academy of Sciences 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 och Hartmut Neven. "Kodning av elektroniska spektra i kvantkretsar med linjär t-komplexitet". Phys. Rev. X 8, 041015 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[15] Yunseong Nam och Dmitri Maslov. "Lågkostnads kvantkretsar för klassiskt svårhanterliga instanser av det hamiltonska dynamiksimuleringsproblemet". npj Quantum Information 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 och Garnet Kin-Lic Chan. "Låg rangrepresentationer för kvantsimulering av elektronisk struktur". npj Quantum Information 7, 83 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-021-00416-z

[17] Jay Gambetta. "Utöka IBM Quantum roadmap för att förutse framtiden för kvantcentrerad superdatorer". URL: https:///research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap-2025.
https:///research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap-2025

[18] John Preskill. "Quantum Computing i NISQ-eran och därefter". Quantum 2, 79 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-08-06-79

[19] Sergey Bravyi, Graeme Smith och John A. Smolin. "Handel med klassiska och kvantberäkningsresurser". Phys. Rev. X 6, 021043 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.021043

[20] Tianyi Peng, Aram W. Harrow, Maris Ozols och Xiaodi Wu. "Simulera stora kvantkretsar på en liten kvantdator". Phys. Rev. Lett. 125, 150504 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.150504

[21] Kosuke Mitarai och Keisuke Fujii. "Konstruera en virtuell två-qubit-grind genom att sampla en-qubit-operationer". New Journal of Physics 23, 023021 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / abd7bc

[22] Kosuke Mitarai och Keisuke Fujii. "Overhead för simulering av en icke-lokal kanal med lokala kanaler genom kvasisannolikhetssampling". Quantum 5, 388 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-01-28-388

[23] Christophe Piveteau och David Sutter. ”Kretsstickning med klassisk kommunikation”. IEEE-transaktioner på informationsteori Sida 1–1 (2024).
https: / / doi.org/ 10.1109 / tit.2023.3310797

[24] Zhuo Fan och Quan-lin Jie. "Klusterdensitetsmatrisinbäddningsteori för kvantspinnsystem". Phys. Rev. B 91, 195118 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.91.195118

[25] Klaas Gunst, Sebastian Wouters, Stijn De Baerdemacker och Dimitri Van Neck. "Block produktdensitetsmatrisinbäddningsteori för starkt korrelerade spinnsystem". Phys. Rev. B 95, 195127 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.95.195127

[26] Takeshi Yamazaki, Shunji Matsuura, Ali Narimani, Anushervon Saidmuradov och Arman Zaribafiyan. "Mot den praktiska tillämpningen av kortsiktiga kvantdatorer i kvantkemisimuleringar: ett tillvägagångssätt för problemnedbrytning" (2018). arXiv:1806.01305.
arXiv: 1806.01305

[27] Max Rossmannek, Panagiotis Kl. Barkoutsos, Pauline J. Ollitrault och Ivano Tavernelli. "Quantum HF/DFT-inbäddningsalgoritmer för elektroniska strukturberäkningar: Uppskalning till komplexa molekylära system". 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 och Sarah Sheldon. "Fördubbling av storleken på kvantsimulatorer genom sammansmidning". PRX Quantum 3, 010309 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010309

[29] Patrick Huembeli, Giuseppe Carleo och Antonio Mezzacapo. "Entanglement smide med generativa neurala nätverksmodeller" (2022). arXiv:2205.00933.
arXiv: 2205.00933

[30] Paulin de Schoulepnikoff, Oriel Kiss, Sofia Vallecorsa, Giuseppe Carleo och Michele Grossi. "Hybrid grundtillståndskvantumalgoritmer baserade på neural schrödinger-smidning" (2023). arXiv:2307.02633.
arXiv: 2307.02633

[31] Abigail McClain Gomez, Taylor L. Patti, Anima Anandkumar och Susanne F. Yelin. "Distribuerad kvantberäkning på kort sikt med hjälp av medelfältskorrigeringar och extra kvantbitar" (2023). arXiv:2309.05693.
arXiv: 2309.05693

[32] Stefano Barison, Filippo Vicentini och Giuseppe Carleo. "Inbädda klassiska variationsmetoder i kvantkretsar" (2023). arXiv:2309.08666.
arXiv: 2309.08666

[33] Xiao Yuan, Jinzhao Sun, Junyu Liu, Qi Zhao och You Zhou. "Kvantsimulering med hybridtensornätverk". 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 och Xiao Yuan. "Perturbativ kvantsimulering". Phys. Rev. Lett. 129, 120505 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.120505

[35] J. Eisert, M. Cramer och MB Plenio. "Colloquium: Area laws for the entanglement entropy". Rev. Mod. Phys. 82, 277–306 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.82.277

[36] Ulrich Schollwöck. "Täthetsmatrisrenormaliseringsgruppen i matrisprodukttillståndens ålder". 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 och Lei Wang. "Variationell kvantegenlösare med färre kvantbitar". 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 och Xiao Yuan. "Kvantberäkningskemi". 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 och CA Marianetti. "Elektroniska strukturberäkningar med dynamisk medelfältsteori". Reviews of Modern Physics 78, 865–951 (2006).
https: / â € </ â € <doi.org/â€ <10.1103 / â € <revmodphys.78.865

[40] Qiming Sun och Granat Kin-Lic Chan. "Quantum inbäddningsteorier". Accounts of Chemical Research 49, 2705–2712 (2016).
https:///doi.org/10.1021/acs.accounts.6b00356

[41] Stefano Barison, Filippo Vicentini och Giuseppe Carleo. "En effektiv kvantalgoritm för tidsutvecklingen av parametriserade kretsar". Quantum 5, 512 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-07-28-512

[42] PAM Dirac. "Anmärkning om utbytesfenomen i thomasatomen". Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 26, 376–385 (1930).
https: / / doi.org/ 10.1017 / S0305004100016108

[43] Jacob Frenkel. "Vågmekanik: Avancerad allmän teori". London: Oxford University Press. (1934).
https: / â € </ â € <doi.org/â€ <10.1017 / â € <s0025557200203604

[44] AD McLachlan. "En variationslösning av den tidsberoende Schrodinger-ekvationen". Molecular Physics 8, 39-44 (1964).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00268976400100041

[45] Xiao Yuan, Suguru Endo, Qi Zhao, Ying Li och Simon C. Benjamin. "Teori om variationskvantsimulering". Quantum 3, 191 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-10-07-191

[46] Julien Gacon, Jannes Nys, Riccardo Rossi, Stefan Woerner och Giuseppe Carleo. "Variationell kvanttidsutveckling utan den kvantgeometriska tensorn". Physical Review Research 6 (2024).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.6.013143

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

[48] Vojtěch Havlíček, Antonio D. Córcoles, Kristan Temme, Aram W. Harrow, Abhinav Kandala, Jerry M. Chow och Jay M. Gambetta. "Övervakat lärande med kvantförbättrade funktionsutrymmen". Nature 567, 209–212 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-0980-2

[49] M. Cerezo, Akira Sone, Tyler Volkoff, Lukasz Cincio och Patrick J. Coles. "Kostnadsfunktionsberoende karga platåer i grunda parametriserade kvantkretsar". Nature Communications 12, 1791 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-021-21728-w

[50] Tobias Haug och MS Kim. "Optimal träning av variationsmässiga kvantalgoritmer utan karga platåer" (2021). arXiv:2104.14543.
arXiv: 2104.14543

[51] Lukas Schmitt, Christophe Piveteau och David Sutter. "Skärkretsar med flera två-qubit-enheter" (2023). arXiv:2312.11638.
arXiv: 2312.11638

[52] Christian Ufrecht, Laura S. Herzog, Daniel D. Scherer, Maniraman Periyasamy, Sebastian Rietsch, Axel Plinge och Christopher Mutschler. "Optimal fogskärning av två-qubit rotationsgrindar" (2023). arXiv:2312.09679.
arXiv: 2312.09679

[53] Diederik P. Kingma och Jimmy Ba. "Adam: En metod för stokastisk optimering" (2017). arXiv:1412.6980.
arXiv: 1412.6980

[54] Michael A. Nielsen och Isaac L. Chuang. "Kvantberäkning och kvantinformation: 10-årsjubileumsutgåva". Cambridge University Press. (2010).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[55] Sajant Anand, Kristan Temme, Abhinav Kandala och Michael Zaletel. "Klassisk benchmarking av noll-brusextrapolering bortom den exakt verifierbara regimen" (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 och Jeremy L. O'Brien. "En variabel egenvärdeslösare på en fotonisk kvantprocessor". Nature Communications 5, 4213 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[57] Tuhin Khare, Ritajit Majumdar, Rajiv Sangle, Anupama Ray, Padmanabha Venkatagiri Seshadri och Yogesh Simmhan. "Parallellisering av kvantklassiska arbetsbelastningar: Profilering av effekten av splittringstekniker" (2023). arXiv:2305.06585.
arXiv: 2305.06585

[58] Sebastian Brandhofer, Ilia Polian och Kevin Krsulich. "Optimal uppdelning av kvantkretsar med hjälp av gate cuts och wire cuts" (2023). arXiv:2308.09567.
arXiv: 2308.09567

[59] Daniele Cuomo, Marcello Caleffi och Angela Sara Cacciapuoti. "Mot ett distribuerat kvantberäkningsekosystem". IET Quantum Communication 1, 3–8 (2020).
https:///doi.org/10.1049/iet-qtc.2020.0002

[60] Jeff Bezanson, Alan Edelman, Stefan Karpinski och Viral B Shah. "Julia: En ny metod för numerisk beräkning". SIAM Review 59, 65–98 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 141000671

[61] Xiu-Zhe Luo, Jin-Guo Liu, Pan Zhang och Lei Wang. "Yao.jl: Extensible, Efficient Framework for Quantum Algorithm Design". Quantum 4, 341 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-10-11-341

[62] Gian Gentinetta, Friederike Metz och Giuseppe Carleo. "Kod för manuskript Overhead-begränsad kretsstickning för variationsmässig kvantdynamik". Github (2024).
https: / / doi.org/ 10.5281 / zenodo.10829066

Citerad av

[1] Travis L. Scholten, Carl J. Williams, Dustin Moody, Michele Mosca, William Hurley, William J. Zeng, Matthias Troyer och Jay M. Gambetta, "Assessing the Benefits and Risks of Quantum Computers", arXiv: 2401.16317, (2024).

[2] Julien Gacon, "Skalbara kvantalgoritmer för bullriga kvantdatorer", arXiv: 2403.00940, (2024).

Ovanstående citat är från SAO / NASA ADS (senast uppdaterad framgångsrikt 2024-03-22 05:07:54). Listan kan vara ofullständig eftersom inte alla utgivare tillhandahåller lämpliga och fullständiga citatdata.

On Crossrefs citerade service Inga uppgifter om citerande verk hittades (sista försök 2024-03-22 05:07:53).

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.