1Bilgisayar Bilimleri Bölümü, Texas Üniversitesi, Austin, Austin, TX 78712, ABD.
2Zapata Computing Inc., Boston, MA 02110, ABD.
Bu makaleyi ilginç mi buldunuz yoksa tartışmak mı istiyorsunuz? SciRate'e çığlık at veya yorum bırak.
Özet
Uygulamalı kuantum hesaplamada önemli çaba, moleküller ve malzemeler için temel durum enerji tahmini sorununa ayrılmıştır. Ancak pratik değeri olan birçok uygulama için temel durumun ek özellikleri tahmin edilmelidir. Bunlar, malzemelerde elektron taşınmasını hesaplamak için kullanılan Green fonksiyonlarını ve moleküllerin elektrik dipollerini hesaplamak için kullanılan tek parçacıklı azaltılmış yoğunluk matrislerini içerir. Bu yazıda, düşük derinlikli kuantum devreleri kullanarak bu tür temel durum özelliklerini yüksek doğrulukla verimli bir şekilde tahmin etmek için kuantum-klasik hibrit bir algoritma öneriyoruz. Hedef doğruluğunun, spektral boşluğun ve ilk temel durum çakışmasının bir fonksiyonu olarak çeşitli maliyetlerin (devre tekrarları, maksimum gelişme süresi ve beklenen toplam çalışma süresi) bir analizini sağlıyoruz. Bu algoritma, endüstriyle ilgili moleküler ve malzeme hesaplamalarını gerçekleştirmek için erken hataya dayanıklı kuantum bilgisayarların kullanılmasına yönelik somut bir yaklaşım önerir.
Popüler özet
► BibTeX verileri
► Referanslar
[1] Yudong Cao, Jhonathan Romero ve Alán Aspuru-Guzik. "İlaç keşfi için kuantum hesaplamanın potansiyeli". IBM Araştırma ve Geliştirme Dergisi 62, 6–1 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1147 / JRD.2018.2888987
[2] Yudong Cao, Jonathan Romero, Jonathan P Olson, Matthias Degroote, Peter D Johnson, Mária Kieferová, Ian D Kivlichan, Tim Menke, Borja Peropadre, Nicolas PD Sawaya, et al. "Kuantum hesaplama çağında kuantum kimyası". Kimyasal incelemeler 119, 10856–10915 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.8b00803
[3] Alán Aspuru-Guzik, Anthony D Dutoi, Peter J Love ve Martin Head-Gordon. "Moleküler enerjilerin simüle edilmiş kuantum hesaplaması". Bilim 309, 1704-1707 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1113479
[4] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J Love, Alán Aspuru-Guzik ve Jeremy L O'brien. "Bir fotonik kuantum işlemci üzerinde bir varyasyonel özdeğer çözücü". Doğa iletişimi 5, 1–7 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213
[5] Yigal Meir ve Ned S Wingreen. "Etkileşimli bir elektron bölgesinden geçen akım için Landauer formülü". Fiziksel inceleme mektupları 68, 2512 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.2512
[6] Frank Jensen. "Hesaplamalı kimyaya giriş". John Wiley ve Oğulları. (2017).
[7] Thomas E O'Brien, Bruno Senjean, Ramiro Sagastizabal, Xavier Bonet-Monroig, Alicja Dutkiewicz, Francesco Buda, Leonardo DiCarlo ve Lucas Visscher. "Bir kuantum bilgisayarda kuantum kimyası için enerji türevlerinin hesaplanması". npj Kuantum Bilgisi 5, 1–12 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0213-4
[8] Andris Ambainis. "Qma'dan biraz daha zor olan fiziksel problemler üzerine". 2014 yılında IEEE 29. Hesaplamalı Karmaşıklık Konferansı (CCC). Sayfa 32-43. (2014).
https: / / doi.org/ 10.1109 / CCC.2014.12
[9] Sevag Gharibian ve Justin Yirka. "Kuantum sistemlerinde yerel ölçümleri simüle etmenin karmaşıklığı". Kuantum 3, 189 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-09-30-189
[10] Sevag Gharibian, Stephen Piddock ve Justin Yirka. “Fiziksel Hamiltoniyenlerde Oracle Karmaşıklık Sınıfları ve Yerel Ölçümler”. Editörler Christophe Paul ve Markus Bläser'de, Bilgisayar Biliminin Teorik Yönleri Üzerine 37. Uluslararası Sempozyum (STACS 2020). Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs) cilt 154, sayfa 20:1–20:37. Dagstuhl, Almanya (2020). Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum für Informatik.
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.STACS.2020.20
[11] David Poulin ve Pawel Wocjan. "Bir kuantum bilgisayarda kuantum çok-vücut sistemlerinin temel hallerinin hazırlanması". Fiziksel inceleme mektupları 102, 130503 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.130503
[12] Yimin Ge, Jordi Tura ve J Ignacio Cirac. “Daha az kübit ile daha hızlı temel durum hazırlığı ve yüksek hassasiyetli zemin enerjisi tahmini”. Matematiksel Fizik Dergisi 60, 022202 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5027484
[13] Lin Lin ve Yu Tong. "Optimale yakın temel durum hazırlığı". Kuantum 4, 372 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-14-372
[14] Sam McArdle, Alexander Mayorov, Xiao Shan, Simon Benjamin ve Xiao Yuan. "Moleküler titreşimlerin dijital kuantum simülasyonu". Kimya bilimi 10, 5725–5735 (2019).
https:///doi.org/10.1039/C9SC01313J
[15] Jérôme F. Gonthier, Maxwell D. Radin, Corneliu Buda, Eric J. Doskocil, Clena M. Abuan ve Jhonathan Romero. “Kaynak tahmini yoluyla pratik kuantum avantajına yönelik zorlukların belirlenmesi: varyasyonel kuantum özçözücüdeki ölçüm engeli” (2020). arXiv:2012.04001.
arXiv: 2012.04001
[16] Guoming Wang, Dax Enshan Koh, Peter D Johnson ve Yudong Cao. "Gürültülü kuantum bilgisayarlarda tahmin çalışma zamanını en aza indirme". PRX Kuantum 2, 010346 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010346
[17] Ryan Babbush, Jarrod R McClean, Michael Newman, Craig Gidney, Sergio Boixo ve Hartmut Neven. "Hata düzeltmeli kuantum avantajı için ikinci dereceden hızlanmaların ötesine odaklanın". PRX Kuantum 2, 010103 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010103
[18] Kyle EC Booth, Bryan O'Gorman, Jeffrey Marshall, Stuart Hadfield ve Eleanor Rieffel. "Kuantum hızlandırmalı kısıtlama programlama". Kuantum 5, 550 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-09-28-550
[19] Earl T Campbell. "Göbek modelinin erken hataya dayanıklı simülasyonları". Kuantum Bilimi ve Teknolojisi 7, 015007 (2021).
https://doi.org/10.1088/2058-9565/ac3110
[20] Lin Lin ve Yu Tong. "Erken hataya dayanıklı kuantum bilgisayarlar için Heisenberg sınırlı temel durum enerji tahmini". PRX Kuantum 3, 010318 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010318
[21] David Layden. "İkinci dereceden bir perspektiften birinci dereceden paça hatası". Fizik Rev. Lett. 128, 210501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.210501
[22] Rolando D Somma. "Zaman serisi analizi yoluyla kuantum özdeğer tahmini". Yeni Fizik Dergisi 21, 123025 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab5c60
[23] Laura Clinton, Johannes Bausch, Joel Klassen ve Toby Cubitt. “Nisq donanımı üzerinde yerel hamiltonyalıların faz tahmini” (2021). arXiv:2110.13584.
arXiv: 2110.13584
[24] Patrick Rall. "Faz, enerji ve genlik tahmini için daha hızlı tutarlı kuantum algoritmaları". Kuantum 5, 566 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-10-19-566
[25] Dominic W Berry, Andrew M Childs, Richard Cleve, Robin Kothari ve Rolando D Somma. "Kesilmiş bir taylor serisi ile Hamilton dinamiklerini simüle etmek". Fiziksel inceleme mektupları 114, 090502 (2015). url: doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.090502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.090502
[26] Guang Hao Low ve Isaac L Chuang. "Kuantum sinyal işleme ile optimal Hamilton simülasyonu". Fiziksel inceleme mektupları 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501
[27] Andrew M Childs, Dmitri Maslov, Yunseong Nam, Neil J Ross ve Yuan Su. "Kuantum hızlandırmalı ilk kuantum simülasyonuna doğru". Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı 115, 9456–9461 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1801723115
[28] Guang Hao Low ve Isaac L Chuang. "Kbitleştirme ile Hamilton simülasyonu". Kuantum 3, 163 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-12-163
[29] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz ve Rolando D Somma. "Gözlenebilirlerin beklenen değerlerinin optimal kuantum ölçümleri". Fiziksel İnceleme A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328
[30] James D. Watson, Johannes Bausch ve Sevag Gharibian. “Temel durum enerjilerinin ötesinde çevrimsel olarak değişmez problemlerin karmaşıklığı” (2020). arXiv:2012.12717.
arXiv: 2012.12717
[31] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J Love, Alán Aspuru-Guzik ve Jeremy L O'brien. "Bir fotonik kuantum işlemci üzerinde bir varyasyonel özdeğer çözücü". Doğa iletişimi 5, 1–7 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213
[32] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush ve Alán Aspuru-Guzik. "Varyasyonel hibrit kuantum-klasik algoritmalar teorisi". Yeni Fizik Dergisi 18, 023023 (2016).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/2/023023
[33] Attila Szabo ve Neil S Ostlund. "Modern kuantum kimyası: ileri elektronik yapı teorisine giriş". Kurye Şirketi. (2012).
[34] Sevag Gharibian ve François Le Gall. "Kuantum tekil değer dönüşümünün dekuantizasyonu: Sertlik ve kuantum kimyası ve kuantum pcp varsayımına uygulamalar". Hesaplama Teorisi üzerine 54. Yıllık ACM SIGACT Sempozyumu Tutanakları içinde. Sayfa 19-32. (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3519991
[35] Shantanav Chakraborty, Andras Gilyen ve Stacey Jeffery. “Blok Kodlu Matris Güçlerinin Gücü: Daha Hızlı Hamiltonian Simülasyonu ile Geliştirilmiş Regresyon Teknikleri”. Christel Baier'de, Ioannis Chatzigiannakis, Paola Flocchini ve Stefano Leonardi, editörler, 46th International Colloquium on Automata, Languages, and Programming (ICALP 2019). Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs) cilt 132, sayfa 33:1–33:14. Dagstuhl, Almanya (2019). Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum fuer Informatik.
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.ICALP.2019.33
[36] András Gilyén, Yuan Su, Guang Hao Low ve Nathan Wiebe. "Kuantum tekil değer dönüşümü ve ötesi: kuantum matris aritmetiği için üstel iyileştirmeler". Hesaplama Teorisi üzerine 51. Yıllık ACM SIGACT Sempozyumu Tutanakları içinde. Sayfa 193-204. (2019).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3313276.3316366
[37] Patrick Rall. “Blok kodlamalarını kullanarak fiziksel nicelikleri tahmin etmek için kuantum algoritmaları”. Fiziksel İnceleme A 102, 022408 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.022408
[38] Yu Tong, Dong An, Nathan Wiebe ve Lin Lin. “Hızlı ters çevirme, ön koşullu kuantum lineer sistem çözücüler, hızlı yeşil fonksiyon hesaplaması ve matris fonksiyonlarının hızlı değerlendirilmesi”. Fiziksel İnceleme A 104, 032422 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.032422
[39] Julia E Rice, Tanvi P Gujarati, Mario Motta, Tyler Y Takeshita, Eunseok Lee, Joseph A Latone ve Jeannette M Garcia. "Lityum-kükürt pillerde baskın ürünlerin kuantum hesaplaması". Kimyasal Fizik Dergisi 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068
[40] Trygve Helgaker, Poul Jorgensen ve Jeppe Olsen. "Moleküler elektronik yapı teorisi". John Wiley ve Oğulları. (2014).
https: / / doi.org/ 10.1002 / 9781119019572
[41] Jacob T Seeley, Martin J Richard ve Peter J Love. "Elektronik yapının kuantum hesaplaması için bravyi-kitaev dönüşümü". Kimyasal fizik Dergisi 137, 224109 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4768229
[42] Aram W Harrow, Avinatan Hassidim ve Seth Lloyd. "Lineer denklem sistemleri için kuantum algoritması". Fiziksel inceleme mektupları 103, 150502 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502
[43] Andrew M Childs, Robin Kothari ve Rolando D Somma. "Hassasiyete üssel olarak geliştirilmiş bağımlılığı olan lineer denklem sistemleri için kuantum algoritması". SIAM Journal on Computing 46, 1920–1950 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 16M1087072
[44] Carlos Bravo-Prieto, Ryan LaRose, M. Cerezo, Yiğit Subaşı, Lukasz Cincio ve Patrick J. Coles. “Varyasyonel kuantum lineer çözücü” (2019). arXiv:1909.05820.
arXiv: 1909.05820
[45] Hsin-Yuan Huang, Kishor Bharti ve Patrick Rebentrost. "Regresyon kaybı fonksiyonları olan doğrusal denklem sistemleri için yakın vadeli kuantum algoritmaları". New Journal of Physics 23, 113021 (2021).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/ac325f
[46] Yiğit Subaşı, Rolando D Somma ve Davide Orsucci. "Adyabatik kuantum hesaplamadan esinlenen lineer denklem sistemleri için kuantum algoritmaları". Fiziksel inceleme mektupları 122, 060504 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.060504
[47] Dong An ve Lin Lin. "Zaman-optimal adyabatik kuantum hesaplama ve kuantum yaklaşık optimizasyon algoritmasına dayalı kuantum lineer sistem çözücü". Kuantum Hesaplama 3 (2022) üzerinde ACM İşlemleri.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3498331
[48] Lin Lin ve Yu Tong. "Kuantum lineer sistemleri çözmek için uygulama ile optimal polinom tabanlı kuantum özdurum filtreleme". Kuantum 4, 361 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-11-11-361
[49] Rolando D Somma ve Sergio Boixo. "Spektral boşluk amplifikasyonu". SIAM Journal on Computing 42, 593–610 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 120871997
[50] Yosi Atia ve Dorit Aharonov. "Hamiltonianların hızlı iletilmesi ve katlanarak hassas ölçümler". Doğa iletişimi 8, 1–9 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41467-017-01637-7
[51] Brielin Brown, Steven T. Flammia ve Norbert Schuch. “Devletlerin yoğunluğunu hesaplamanın hesaplama zorluğu”. Fiziksel inceleme mektupları 107, 040501 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.040501
[52] Stephen P Jordan, David Gosset ve Peter J Love. Stokastik hamiltonyalılar ve markov matrisleri için kuantum-merlin-arthur-tam problemler. Fiziksel İnceleme A 81, 032331 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.032331
[53] Sevag Gharibian ve Jamie Sikora. "Yerel hamiltonyalıların yer durumu bağlantısı". ACM Trans. Bilgisayar. Teori 10 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3186587
[54] James D. Watson ve Johannes Bausch. “Kuantum faz geçişlerinin kritik noktalarına yaklaşmanın karmaşıklığı” (2021). arXiv:2105.13350.
arXiv: 2105.13350
Alıntılama
[1] Pablo AM Casares, Roberto Campos ve MA Martin-Delgado, “TFermion: Kuantum kimyası için kuantum fazı tahmin algoritmalarının Clifford kapısı olmayan maliyet değerlendirme kitaplığı”, Kuantum 6, 768 (2022).
[2] Yu Tong, “Erken hataya dayanıklı kuantum bilgisayarlarda temel durum özelliklerini tahmin etmek için algoritmalar tasarlama”, Kuantum Görüntüleme 6, 65 (2022).
[3] Yulong Dong, Lin Lin ve Yu Tong, “Birimsel matrislerin kuantum özdeğer dönüşümü yoluyla erken hataya dayanıklı kuantum bilgisayarlarda zemin durumu hazırlama ve enerji tahmini”, arXiv: 2204.05955.
[4] Peter D. Johnson, Alexander A. Kunitsa, Jérôme F. Gonthier, Maxwell D. Radin, Corneliu Buda, Eric J. Doskocil, Clena M. Abuan ve Jhonathan Romero, “Varyasyonel değişkenlerde enerji tahmini maliyetini azaltmak sağlam genlik tahmini ile kuantum öz-çözücü algoritması”, arXiv: 2203.07275.
[5] Guoming Wang, Sukin Sim ve Peter D. Johnson, “Erken Hata Toleranslı Kuantum Hesaplaması için Durum Hazırlama Arttırıcıları”, arXiv: 2202.06978.
Yukarıdaki alıntılar Crossref'in alıntı yaptığı hizmet (son başarıyla 2022-07-28 15:34:04) güncellendi ve SAO / NASA REKLAMLARI (son başarıyla 2022-07-28 15:34:05) güncellendi. Tüm yayıncılar uygun ve eksiksiz alıntı verisi sağlamadığından liste eksik olabilir.
Bu Makale, Quantum'da Creative Commons Atıf 4.0 Uluslararası (CC BY 4.0) lisans. Telif hakkı, yazarlar veya kurumları gibi orijinal telif hakkı sahiplerine aittir.
