Moleküler gözlemlenebilirlerin hataya dayanıklı kuantum hesaplaması

Moleküler gözlemlenebilirlerin hataya dayanıklı kuantum hesaplaması

Zaman Damgası: 6 Kasım 2023 7:23

Mark Steudtner1, Sam Morley-Kısa1, William Pol1, Sukin Sim1, Cristian L. Cortes2, Matthias Loipersberger2, Robert M.Parrish2, Matthias Degroote3, Nikolaj Moll3, Raffaele Santagati3, ve Michael Streif3

1PsiQuantum, 700 Hansen Yolu, Palo Alto, CA 94304, ABD
2QC Ware Corp, Palo Alto, CA 94306, ABD
3Kuantum Laboratuvarı, Boehringer Ingelheim, 55218 Ingelheim am Rhein, Almanya

Bu makaleyi ilginç mi buldunuz yoksa tartışmak mı istiyorsunuz? SciRate'e çığlık at veya yorum bırak.

Özet

Son otuz yılda, moleküler Hamiltonyenlerin temel durum enerjilerinin kuantum bilgisayarlarla tahmin edilmesinin maliyetinde önemli düşüşler sağlandı. Ancak, birçok endüstriyel uygulama için önemli olan, söz konusu temel durumlara göre diğer gözlemlenebilirlerin beklenti değerlerinin tahmin edilmesine nispeten az önem verilmiştir. Bu çalışmada, sistemin özdurumlarından herhangi birine göre rastgele gözlemlenebilirlerin beklenti değerlerini tahmin etmek için uygulanabilecek yeni bir beklenti değeri tahmini (EVE) kuantum algoritması sunuyoruz. Özellikle, EVE'nin iki çeşidini ele alıyoruz: standart kuantum faz tahminine dayanan std-EVE ve kuantum sinyal işleme (QSP) tekniklerini kullanan QSP-EVE. Her iki değişken için de titiz hata analizi sağlıyoruz ve QSPEVE için bireysel faz faktörlerinin sayısını en aza indiriyoruz. Bu hata analizleri, çeşitli moleküler sistemler ve gözlemlenebilirler genelinde hem std-EVE hem de QSP-EVE için sabit faktörlü kuantum kaynak tahminleri üretmemizi sağlar. Göz önünde bulundurulan sistemler için, QSP-EVE'nin (Toffoli) kapı sayılarını üç kata kadar azalttığını ve std-EVE ile karşılaştırıldığında kubit genişliğini %25'e kadar azalttığını gösterdik. Tahmini kaynak sayıları, hataya dayanıklı kuantum bilgisayarların ilk nesli için çok yüksek kalırken, tahminlerimiz hem beklenti değeri tahmininin hem de modern QSP tabanlı tekniklerin uygulanması açısından türünün ilk örneğidir.

Moleküler gözlemlenebilirlerin hataya dayanıklı kuantum hesaplaması PlatoBlockchain Veri Zekası. Dikey Arama. Ai.

► BibTeX verileri

► Referanslar

[1] David Poulin, Matthew B. Hastings, Dave Wecker, Nathan Wiebe, Andrew C. Doberty ve Matthias Troyer. "Kuantum kimyasının doğru kuantum simülasyonu için gereken paça adım boyutu". Kuantum Bilgisi. Hesapla. 15, 361–384 (2015).
https: / / doi.org/ 10.5555 / 2871401.2871402

[2] Markus Reiher, Nathan Wiebe, Krysta M. Svore, Dave Wecker ve Matthias Troyer. “Kuantum bilgisayarlarda reaksiyon mekanizmalarının aydınlatılması”. Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri 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 ve Hartmut Neven. "Doğrusal T karmaşıklığına sahip kuantum devrelerde elektronik spektrumların kodlanması". Fiziksel İnceleme X 8, 041015 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[4] Dominic W. Berry, Craig Gidney, Mario Motta, Jarrod R. McClean ve Ryan Babbush. "İsraftan ve düşük dereceli çarpanlara ayırmadan yararlanarak keyfi temele dayalı kuantum kimyasının kubitleştirilmesi". Kuantum 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 ve Ryan Babbush. "Tensor hiper büzülme yoluyla kimyanın daha verimli kuantum hesaplamaları". PRX Kuantum 2, 030305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030305

[6] Yuan Su, Dominic W. Berry, Nathan Wiebe, Nicholas Rubin ve Ryan Babbush. "İlk nicelemede kimyanın hataya dayanıklı kuantum simülasyonları". PRX Kuantum 2, 040332 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040332

[7] Isaac H. Kim, Ye-Hua Liu, Sam Pallister, William Pol, Sam Roberts ve Eunseok Lee. "Kuantum kimyasal simülasyonları için hataya dayanıklı kaynak tahmini: Li-ion pil elektrolit molekülleri üzerine örnek olay". Fizik. Rev. Araştırma 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 ve Juan Miguel Arrazola. "Lityum iyon pillerin temel özelliklerinin hataya dayanıklı bir kuantum bilgisayarla simüle edilmesi". Fizik. 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 ve Matthias Troyer. “Kuantum hesaplama gelişmiş hesaplamalı kataliz”. Fizik. 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 ve Nicholas C. Rubin. “Günümüzün klasik bilgisayarlarında ve yarının kuantum bilgisayarlarında sitokrom p450'nin elektronik yapısının güvenilir bir şekilde değerlendirilmesi”. Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri 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 ve diğerleri. "Moleküler kuvvetlerin ve diğer enerji gradyanlarının verimli kuantum hesaplaması". Fizik. Rev. Res. 4, 043210 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.043210

[12] Christopher J Cramer. "Hesaplamalı kimyanın esasları: teoriler ve modeller". John Wiley ve Oğulları. (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, ve Clemens Utschig-Utschig. “Kuantum bilgisayarlarda ilaç tasarımı” (2023). arXiv:2301.04114.
arXiv: 2301.04114

[14] Clifford W Fong. "Kan-beyin bariyerinin geçirgenliği: ilaçların ve fizyolojik açıdan önemli bileşiklerin taşınmasının moleküler mekanizması". Membran biyolojisi Dergisi 248, 651–669 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00232-015-9778-9

[15] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz ve Rolando D. Somma. "Gözlemlenebilirlerin beklenti değerlerinin optimal kuantum ölçümleri". Fiziksel İnceleme A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.75.012328

[16] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca ve Alain Tapp. “Kuantum genlik amplifikasyonu ve tahmini”. Çağdaş Matematik 305, 53–74 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1090 / conm / 305/05215

[17] A. Yu. Kitaev. "Kuantum ölçümleri ve Abelian Sabitleyici Problemi" (1995). arXiv:quant-ph/​9511026.
arXiv: kuant-ph / 9511026

[18] David Poulin ve Pawel Wocjan. “Kuantum Çok Cisimli Sistemlerin Temel Durumlarının Kuantum Bilgisayar Üzerinde Hazırlanması”. Fiziksel İnceleme Mektupları 102, 130503 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.102.130503

[19] David Poulin, Alexei Kitaev, Damian S. Steiger, Matthew B. Hastings ve Matthias Troyer. "Daha düşük kapı sayısıyla spektral ölçüm için kuantum algoritması". Fizik. Rahip Lett. 121, 010501 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.010501

[20] Yimin Ge, Jordi Tura ve J. Ignacio Cirac. “Daha az kübit ile daha hızlı temel durum hazırlığı ve yüksek hassasiyetli yer enerjisi tahmini”. Matematiksel Fizik Dergisi 60, 022202 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5027484

[21] Lin Lin ve Yu Tong. "Optimale yakın temel durum hazırlığı". Kuantum 4, 372 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-12-14-372

[22] Ruizhe Zhang, Guoming Wang ve Peter Johnson. “Erken Hataya Toleranslı Kuantum Bilgisayarlarla Temel Durum Özelliklerinin Hesaplanması”. Kuantum 6, 761 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-11-761

[23] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz ve Rolando D. Somma. "Gözlemlenebilirlerin beklenti değerlerinin optimal kuantum ölçümleri". Fizik. Rev. A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328

[24] András Gilyén, Yuan Su, Guang Hao Low ve Nathan Wiebe. "Kuantum tekil değer dönüşümü ve ötesi: kuantum matris aritmetiği için üstel iyileştirmeler". 51. Yıllık ACM SIGACT Hesaplama Teorisi Sempozyumu Bildiri Kitaplarında. ACM (2019).

[25] Patrick Rall. "Blok kodlamaları kullanarak fiziksel miktarları tahmin etmek için kuantum algoritmaları". fizik 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 ve Ryan Babbush. "Birden fazla beklenti değerini tahmin etmek için neredeyse optimal kuantum algoritması". Fizik. Rahip Lett. 129, 240501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.240501

[27] Arjan Cornelissen, Yassine Hamoudi ve Sofiene Jerbi. "Çok değişkenli ortalama tahmini için optimale yakın kuantum algoritmaları". 54. Yıllık ACM SIGACT Bilgisayar Teorisi Sempozyumu Bildiri Kitaplarında. Sayfa 33–43. STOC 2022New York, NY, ABD (2022). Bilgisayar Makineleri Derneği.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3520045

[28] Guang Hao Low ve Isaac L. Chuang. "Kuantum sinyal işleme ile optimum hamilton simülasyonu". fizik Rahip Lett. 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501

[29] 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

[30] John M. Martyn, Zane M. Rossi, Andrew K. Tan ve Isaac L. Chuang. "Kuantum algoritmalarının büyük birleşmesi". PRX Kuantum 2, 040203 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040203

[31] Wim van Dam, G. Mauro D'Ariano, Artur Ekert, Chiara Macchiavello ve Michele Mosca. "Genel faz tahmini için en uygun kuantum devreleri". Fizik. Rahip Lett. 98, 090501 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.090501

[32] Gumaro Rendon, Taku Izubuchi ve Yuta Kikuchi. “Kosinüs sivrilen pencerenin kuantum faz tahminine etkileri”. Fizik. Rev. D 106, 034503 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.106.034503

[33] Kosuke Mitarai, Kiichiro Toyoizumi ve Wataru Mizukami. "Kuantum sinyal işleme ile pertürbasyon teorisi". Kuantum 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 ve Ryan Babbush. "Fermiyonik Hamiltoniyenlerin öz durumlarını hazırlamak için geliştirilmiş teknikler". npj Quantum Information 4, 22 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-018-0071-5

[35] Guang Hao Low ve Isaac L. Chuang. "Kubitleştirme Yoluyla Hamilton Simülasyonu". Kuantum 3, 163 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-07-12-163

[36] Yulong Dong, Lin Lin ve Yu Tong. "Birimsel matrislerin kuantum özdeğer dönüşümü yoluyla erken hataya dayanıklı kuantum bilgisayarlarda temel durum hazırlığı ve enerji tahmini". PRX Kuantum 3, 040305 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.040305

[37] Earl T Campbell. "Göbek modelinin erken hataya dayanıklı simülasyonları". Kuantum Bilimi ve Teknolojisi 7, 015007 (2021).
https:/​/​doi.org/10.1088/​2058-9565/​ac3110

[38] Richard Cleve, Artur Ekert, Chiara Macchiavello ve Michele Mosca. “Kuantum algoritmaları yeniden ziyaret edildi”. Londra Kraliyet Cemiyeti Tutanakları. Seri A: Matematik, Fiziksel ve Mühendislik Bilimleri 454, 339–354 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.1998.0164

[39] Craig Gidney. “Kuantum ekleme maliyetinin yarıya indirilmesi”. Kuantum 2, 74 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-06-18-74

[40] Jiasu Wang, Yulong Dong ve Lin Lin. "Simetrik kuantum sinyal işlemenin enerji manzarası üzerine". Kuantum 6, 850 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-11-03-850

[41] Guang Hao Düşük. "Tek kübit dinamikleri ile kuantum sinyal işleme". Doktora tezi. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü. (2017).

[42] Yulong Dong, Xiang Meng, K. Birgitta Whaley ve Lin Lin. "Kuantum sinyal işlemede verimli faz faktörü değerlendirmesi". Fiziksel İnceleme A 103, 042419 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.103.042419

[43] Yulong Dong, Lin Lin, Hongkang Ni ve Jiasu Wang. “Sonsuz kuantum sinyal işleme” (2022). arXiv:2209.10162.
arXiv: 2209.10162

[44] Diptarka Hait ve Martin Head-Gordon. "Yoğunluk fonksiyonel teorisi dipol momentlerini tahmin etmede ne kadar doğrudur? 200 kıyaslama değerinden oluşan yeni bir veritabanı kullanan bir değerlendirme”. Kimyasal Teori ve Hesaplama Dergisi 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 ve Garnet Kin-Lic Chan. “PySCF program paketindeki son gelişmeler”. Kimyasal Fizik Dergisi 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 ve Garnet Kin-Lic Chan. "Pyscf: kimya çerçevesinin python tabanlı simülasyonları". WIREs Hesaplamalı Moleküler Bilim 8, e1340 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1002 / wcms.1340

[47] Huanchen Zhai ve Garnet Kin-Lic Chan. "Düşük iletişim yüksek performanslı ab initio yoğunluklu matris yeniden normalleştirme grup algoritmaları". J. Chem. Fizik. 154, 224116 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0050902

[48] Dominik Marx ve Jurg Hutter. "Ab initio moleküler dinamik: Teori ve uygulama". Kuantum kimyasının modern yöntemleri ve algoritmaları 1, 141 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511609633

[49] JC Slater. “Viral ve moleküler yapı”. Kimyasal Fizik Dergisi 1, 687–691 (1933).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1749227

[50] Jeffrey Cohn, Mario Motta ve Robert M. Parrish. "Sıkıştırılmış çift faktörlü hamiltonianlarla kuantum filtresi köşegenleştirmesi". PRX Kuantum 2, 040352 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040352

[51] Guang Hao Low, Vadym Kliuchnikov ve Luke Schaeffer. “Durum hazırlama ve üniter sentezde kirli kübitler için T kapılarının ticareti” (2018). arXiv:1812.00954.
arXiv: 1812.00954

Alıntılama

[1] Ignacio Loaiza ve Artur F. Izmaylov, “Blok-Değişmez Simetri Kayması: İkinci Nicelenmiş Hamiltonyenlerin Üniterlerin Doğrusal Kombinasyonuna Ayrışmalarını Geliştirmek için Ön İşleme Tekniği”, Kimyasal Teori ve Hesaplama Dergisi 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 ve Fernando GSL Brandão, "Kuantum algoritmaları: Uygulamaların ve uçtan uca karmaşıklıkların incelenmesi", 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 ve Michael Streif, “Hata” -simetriye uyarlanmış pertürbasyon teorisi için toleranslı kuantum algoritması”, arXiv: 2305.07009, (2023).

[4] Sophia Simon, Raffaele Santagati, Matthias Degroote, Nikolaj Moll, Michael Streif ve Nathan Wiebe, "Birleşik kuantum-klasik dinamikleri simüle etmek için geliştirilmiş hassas ölçeklendirme", arXiv: 2307.13033, (2023).

[5] Ignacio Loaiza ve Artur F. Izmaylov, "Blok-Değişmez Simetri Kayması: Üniterlerin Doğrusal Kombinasyonuna göre ayrıştırmalarını geliştirmek için ikinci nicemlenmiş Hamiltonyenler için ön işleme tekniği", arXiv: 2304.13772, (2023).

Yukarıdaki alıntılar Crossref'in alıntı yaptığı hizmet (son başarıyla 2023-11-13 12:50:11) güncellendi ve SAO / NASA REKLAMLARI (son başarıyla 2023-11-13 12:50:12) 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.

Zaman Damgası:

Den fazla Kuantum Günlüğü