Квантовий алгоритм на основі повної схеми для збуджених станів у квантовій хімії

Перевидано Платоном

читають: 0

Цзінвей Вень^1,2, Чженган Ван³, Читонг Чен^4,5, Цзюньсян Сяо¹, Хан Лі³, Лін Цянь², Чжиго Хуан², Хенг Фан^3,4, Шицзе Вей³і Гуілу Лонг^1,3,6,7

¹Державна ключова лабораторія низьковимірної квантової фізики та кафедра фізики, Університет Цінхуа, Пекін 100084, Китай
²China Mobile (Suzhou) Software Technology Company Limited, Suzhou 215163, Китай
³Пекінська академія квантових інформаційних наук, Пекін 100193, Китай
⁴Інститут фізики Китайської академії наук, Пекін 100190, Китай
⁵Школа фізичних наук Університету Китайської академії наук, Пекін 100190, Китай
⁶Передовий науковий центр квантової інформації, Пекін 100084, Китай
⁷Пекінський національний дослідницький центр інформаційних наук і технологій, Пекін 100084, Китай

Вам цей документ цікавий чи ви хочете обговорити? Скайте або залиште коментар на SciRate.

абстрактний

Використання квантового комп’ютера для дослідження квантової хімії сьогодні є важливою галуззю досліджень. На додаток до проблем основного стану, які були широко вивчені, визначення збуджених станів відіграє вирішальну роль у передбаченні та моделюванні хімічних реакцій та інших фізичних процесів. Тут ми пропонуємо безваріаційний квантовий алгоритм на основі повної схеми для отримання спектру збуджених станів гамільтоніана квантової хімії. Порівняно з попередніми класично-квантовими гібридними варіаційними алгоритмами, наш метод усуває класичний процес оптимізації, зменшує вартість ресурсів, викликану взаємодією між різними системами, і досягає швидшої швидкості конвергенції та більшої надійності проти шуму без безплідного плато. Оновлення параметрів для визначення наступного енергетичного рівня природно залежить від вихідних даних вимірювання енергії попереднього енергетичного рівня та може бути реалізовано шляхом лише модифікації процесу підготовки стану допоміжної системи, вводячи невеликі додаткові витрати на ресурси. Наведено чисельне моделювання алгоритму з молекулами водню, LiH, H2O та NH3. Крім того, ми пропонуємо експериментальну демонстрацію алгоритму на надпровідній платформі квантового обчислення, і результати показують хорошу збіг з теоретичними очікуваннями. Алгоритм може бути широко застосований до різноманітних задач визначення спектру Гамільтона на відмовостійких квантових комп’ютерах.

A full circuit-based quantum algorithm for excited-states in quantum chemistry PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Рекомендоване зображення: Квантова схема для реалізації алгоритму FQESS.

► Дані BibTeX

@article{Wen2024fullcircuitbased, doi = {10.22331/q-2024-01-04-1219}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2024-01-04-1219}, title = {A full схемний квантовий алгоритм для збуджених станів у квантовій хімії}, автор = {Вень, Цзінвей і Ван, Чженган і Чень, Чітун і Сяо, Цзюньсян і Лі, Хан і Цянь, Лін і Хуан, Чжиго і Фан, Хенг і Вей , Shijie and Long, Guilu}, журнал = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, видавець = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, том = {8}, сторінки = {1219}, місяць = січень, рік = {2024} }

► Список літератури

[1] Пол Беніофф. Комп’ютер як фізична система: мікроскопічна квантово-механічна гамільтонова модель комп’ютерів, представлена машинами Тьюрінга. Журнал статистичної фізики, 22 (5): 563–591, 1980. 10.1007/BF01011339.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01011339

[2] Річард Фейнман. Моделювання фізики за допомогою комп’ютера. Int J Theor Phys, 21 (1): 467–488, 1982. 10.1007/BF02650179.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02650179

[3] Петро Шор. Алгоритми поліноміального часу для розкладання на прості множники та дискретних логарифмів на квантовому комп’ютері. Огляд SIAM, 41 (2): 303–332, 1999. 10.1137/S0036144598347011.
https: / / doi.org/ 10.1137 / S0036144598347011

[4] Лов К. Гровер. Квантова механіка допомагає шукати голку в стозі сіна. Physical Review Letters, 79 (2): 325, 1997. 10.1103/PhysRevLett.79.325.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.79.325

[5] Гуй Лу Лонг, Янь Сонг Лі, Вей Лін Чжан і Лі Ніу. Фазове узгодження в квантовому пошуку. Physics Letters A, 262 (1): 27–34, 1999. 10.1016/S0375-9601(99)00631-3.
https://doi.org/10.1016/S0375-9601(99)00631-3

[6] Арам В. Харроу, Авінатан Хасидім і Сет Ллойд. Квантовий алгоритм для лінійних систем рівнянь. Physical Review Letters, 103 (15): 150502, 2009. 10.1103/PhysRevLett.103.150502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502

[7] Їгіт Субаші, Роландо Д Сомма та Давіде Орсуччі. Квантові алгоритми для систем лінійних рівнянь на основі адіабатичного квантового обчислення. Листи фізичного огляду, 122 (6): 060504, 2019. 10.1103/PhysRevLett.122.060504.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.060504

[8] Юдонг Цао, Джонатан Ромеро, Джонатан П. Олсон, Маттіас Дегроут, Пітер Д. Джонсон, Марія Кіферова, Ян Д. Ківлічан, Тім Менке, Борха Перопадре, Ніколас П. Д. Савайя та ін. Квантова хімія в епоху квантових обчислень. Хімічні огляди, 119 (19): 10856–10915, 2019. 10.1021/acs.chemrev.8b00803.
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.8b00803

[9] Сем МакАрдл, Сугуру Ендо, Алан Аспуру-Гузік, Саймон Сі Бенджамін і Сяо Юань. Квантова обчислювальна хімія. Огляди сучасної фізики, 92 (1): 015003, 2020. 10.1103/RevModPhys.92.015003.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.015003

[10] Бела Бауер, Сергій Бравий, Маріо Мотта та Гарнет Кін-Лік Чан. Квантові алгоритми для квантової хімії та квантового матеріалознавства. Chemical Reviews, 120 (22): 12685–12717, 2020. 10.1021/acs.chemrev.9b00829.
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.9b00829

[11] Альберто Перуццо, Джаррод МакКлін, Пітер Шедболт, Ман-Хонг Юнг, Сяо-Ці Чжоу, Пітер Дж. Лав, Алан Аспуру-Гузік і Джеремі Л О’Браєн. Варіаційний вирішувач власних значень на фотонному квантовому процесорі. Nature Communications, 5 (1): 1–7, 2014. 10.1038/ncomms5213.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[12] Пітер Дж. Джей О'Меллі, Раян Беббуш, Ян Д. Ківлічан, Джонатан Ромеро, Джаррод Р. Макклін, Рамі Барендс, Джуліан Келлі, Педрам Рушан, Ендрю Трантер, Нан Дін та ін. Масштабована квантова симуляція молекулярних енергій. Physical Review X, 6 (3): 031007, 2016. 10.1103/PhysRevX.6.031007.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.031007

[13] Абхінав Кандала, Антоніо Меццакапо, Крістан Темме, Майка Такіта, Маркус Брінк, Джеррі М. Чоу та Джей М. Гамбетта. Апаратно ефективний варіаційний квантовий розв’язувач власних сигналів для малих молекул і квантових магнітів. Nature, 549 (7671): 242–246, 2017. 10.1038/nature23879.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23879

[14] Марко Серезо, Ендрю Аррасміт, Раян Беббуш, Саймон С. Бенджамін, Сугуру Ендо, Кейсуке Фуджі, Джаррод Р. Макклін, Косуке Мітараі, Сяо Юань, Лукаш Сінчіо та ін. Варіаційні квантові алгоритми. Nature Reviews Physics, сторінки 1–20, 2021. 10.1038/s42254-021-00348-9.
https://doi.org/10.1038/s42254-021-00348-9

[15] Хаві Боне-Монройг, Раміро Сагастісабал, М. Сінгх і Т.Є. О'Браєн. Недорогове пом'якшення помилок шляхом перевірки симетрії. Фізичний огляд А, 98 (6): 062339, 2018. 10.1103/PhysRevA.98.062339.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

[16] Харпер Р. Грімслі, Софія Економу, Едвін Барнс і Ніколас Дж. Мейхолл. Адаптивний варіаційний алгоритм для точного молекулярного моделювання на квантовому комп’ютері. Nature Communications, 10 (1): 1–9, 2019. 10.1038/s41467-019-10988-2.
https://doi.org/10.1038/s41467-019-10988-2

[17] Хо Лун Тан, В. О. Школьников, Джордж С. Беррон, Харпер Р. Грімслі, Ніколас Дж. Мейхолл, Едвін Барнс та Софія Економу. qubit-adapt-vqe: адаптивний алгоритм для побудови апаратно-ефективного ansätze на квантовому процесорі. PRX Quantum, 2 (2): 020310, 2021. 10.1103/PRXQuantum.2.020310.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020310

[18] Матеуш Осташевський, Едвард Грант і Марчелло Бенедетті. Оптимізація структури для параметризованих квантових схем. Quantum, 5: 391, 2021. 10.22331/q-2021-01-28-391.
https://doi.org/10.22331/q-2021-01-28-391

[19] Шицзе Вей, Хан Лі та ГуйЛу Лонг. Повноцінний квантовий розв’язувач власних сигналів для моделювання квантової хімії. Дослідження, 2020, 2020. 10.34133/2020/1486935.
https:///doi.org/10.34133/2020/1486935

[20] Патрік Ребентрост, Марія Шульд, Леонард Воссніг, Франческо Петруччоне та Сет Ллойд. Квантовий градієнтний спуск і метод Ньютона для поліноміальної оптимізації з обмеженнями. New Journal of Physics, 21 (7): 073023, 2019. 10.1088/1367-2630/ab2a9e.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab2a9e

[21] Оскар Хігготт, Даочен Ван і Стівен Браєрлі. Варіаційний квантовий розрахунок збуджених станів. Quantum, 3: 156, 2019. 10.22331/q-2019-07-01-156.
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-01-156

[22] Тайсон Джонс, Сугуру Ендо, Сем МакАрдл, Сяо Юань і Саймон Бенджамін. Варіаційні квантові алгоритми для виявлення гамільтонових спектрів. Physical Review A, 99 (6): 062304, 2019. 10.1103/PhysRevA.99.062304.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062304

[23] Кен М. Наканіші, Косуке Мітараі та Кейсуке Фуджі. Варіаційний квантовий розв’язувач власних значень підпросторового пошуку для збуджених станів. Physical Review Research, 1 (3): 033062, 2019. 10.1103/PhysRevResearch.1.033062.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.1.033062

[24] Роберт М. Перріш, Едвард Г. Хоенштайн, Пітер Л. Макмехон і Тодд Дж. Мартінес. Квантове обчислення електронних переходів з використанням варіаційного квантового розв'язувача власних сигналів. Листи фізичного огляду, 122 (23): 230401, 2019. 10.1103/PhysRevLett.122.230401.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.230401

[25] Джаррод Р. Макклін, Моллі Е. Кімчі-Шварц, Джонатан Картер і Вібе А Де Йонг. Гібридна квантово-класична ієрархія для пом'якшення декогеренції та визначення збуджених станів. Physical Review A, 95 (4): 042308, 2017. 10.1103/PhysRevA.95.042308.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[26] Джеймс I Коллесс, Віней В. Рамасеш, Дар Дален, Макіель С. Блок, Моллі Е. Кімчі-Шварц, Джаррод Р. МакКлін, Джонатан Картер, Вібе А де Йонг та Ірфан Сіддікі. Обчислення молекулярних спектрів на квантовому процесорі з помилково стійким алгоритмом. Physical Review X, 8 (1): 011021, 2018. 10.1103/PhysRevX.8.011021.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.011021

[27] Пейман Джоуздані, Стефан Брінгуєр і Марк Костук. Метод визначення збуджених станів для квантових обчислень. Препринт arXiv arXiv:1908.05238, 2019. 10.48550/arXiv.1908.05238.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1908.05238
arXiv: 1908.05238

[28] Полін Дж. Оллітро, Абхінав Кандала, Чун-Фу Чен, Панайотіс Кл Баркуцос, Антоніо Меццакапо, Марко Пістоя, Сара Шелдон, Стефан Вернер, Джей М. Гамбетта та Івано Тавернеллі. Квантове рівняння руху для обчислення енергій збудження молекул на шумному квантовому процесорі. Physical Review Research, 2 (4): 043140, 2020. 10.1103/PhysRevResearch.2.043140.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.043140

[29] Дань-Бо Чжан, Бінь-Лінь Чень, Чжань-Хао Юань і Тао Інь. Варіаційні квантові розв'язувачі власних сигналів шляхом мінімізації дисперсії. Китайська фізика B, 31 (12): 120301, 2022. 10.1088/1674-1056/ac8a8d.
https://doi.org/10.1088/1674-1056/ac8a8d

[30] Саад Ялуз, Еміель Корідон, Бруно Сенджан, Бенджамін Ласорн, Франческо Буда та Лукас Вісшер. Аналітичні неадіабатичні зв’язки та градієнти в межах орбітально-оптимізованого варіаційного квантового розв’язувача з усередненим станом. Журнал хімічної теорії та обчислень, 18 (2): 776–794, 2022. 10.1021/acs.jctc.1c00995.
https:///doi.org/10.1021/acs.jctc.1c00995

[31] Цзінвей Вень, Діншун Лв, Ман-Хон Юнг і Гуй-Лу Лонг. Варіаційна квантова упакована дефляція для довільних збуджених станів. Квантова інженерія, сторінка e80, 2021. 10.1002/que2.80.
https:///doi.org/10.1002/que2.80

[32] Паскуаль Джордан і Ежен Поль Вігнер. über das paulische äquivalenzverbot. У зібранні творів Юджина Поля Вігнера, сторінки 109–129. Springer, 1993. 10.1007/978-3-662-02781-3_9.
https://doi.org/10.1007/978-3-662-02781-3_9

[33] Бравий Сергій Б та Китаєв Олексій Ю. Ферміонне квантове обчислення. Annals of Physics, 298 (1): 210–226, 2002. 10.1006/aphy.2002.6254.
https: / / doi.org/ 10.1006 / aphy.2002.6254

[34] Лонг Гуй-Лу. Загальний принцип квантової інтерференції та дуальний комп'ютер. Повідомлення в теоретичній фізиці, 45 (5): 825, 2006. 10.1088/0253-6102/45/5/013.
https://doi.org/10.1088/0253-6102/45/5/013

[35] Лонг Гуй-Лу і Лю Ян. Обчислення подвійності в квантових комп'ютерах. Повідомлення в теоретичній фізиці, 50 (6): 1303, 2008. 10.1088/0253-6102/50/6/11.
https://doi.org/10.1088/0253-6102/50/6/11

[36] Лонг Гуй-Лу, Лю Ян і Ван Чуань. Допустимі узагальнені квантові ворота. Повідомлення в теоретичній фізиці, 51 (1): 65, 2009. 10.1088/0253-6102/51/1/13.
https://doi.org/10.1088/0253-6102/51/1/13

[37] Ендрю Чайлдс і Натан Вібе. Гамільтоніанське моделювання з використанням лінійних комбінацій унітарних операцій. Препринт arXiv arXiv:1202.5822, 2012. 10.48550/arXiv.1202.5822.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1202.5822
arXiv: 1202.5822

[38] Цзінвей Вень, Чао Чжен, Сян'ю Конг, Шицзе Вей, Тао Сінь і Гуйлу Лонг. Експериментальна демонстрація цифрового квантового моделювання загальної $mathcal{PT}$-симетричної системи. Physical Review A, 99 (6): 062122, 2019. 10.1103/PhysRevA.99.062122.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062122

[39] Цзінвей Вень, Гоцін Цінь, Чао Чжен, Шицзе Вей, Сян'ю Конг, Тао Сінь і Гуйлу Лонг. Спостереження потоку інформації в анти$mathcal{PT}$-симетричній системі з ядерними спінами. npj Квантова інформація, 6 (1): 1–7, 2020. 10.1038/s41534-020-0258-4.
https://doi.org/10.1038/s41534-020-0258-4

[40] Гуй-Лу Лонг і Ян Сун. Ефективна схема ініціалізації квантового регістра з довільним накладеним станом. Physical Review A, 64 (1): 014303, 2001. 10.1103/PhysRevA.64.014303.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.014303

[41] Вітторіо Джованетті, Сет Ллойд і Лоренцо Макконе. Квантова оперативна пам'ять. Фізичні оглядові листи, 100 (16): 160501, 2008. 10.1103/PhysRevLett.100.160501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.100.160501

[42] Жиль Брассар, Пітер Хойєр, Мішель Моска та Ален Тапп. Підсилення та оцінка квантової амплітуди. Сучасна математика, 305: 53–74, 2002. 10.1090/conm/305/05215.
https:///doi.org/10.1090/conm/305/05215

[43] Домінік Беррі, Ендрю Чайлдс, Річард Клів, Робін Котарі та Роландо Д Сомма. Моделювання гамільтонової динаміки з усіченим рядом Тейлора. Physical review letters, 114 (9): 090502, 2015. 10.1103/PhysRevLett.114.090502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.090502

[44] Тао Сінь, Ши-Цзе Вей, Хулен С. Педерналес, Енріке Солано та Гуй-Лу Лонг. Квантова симуляція квантових каналів у ядерному магнітному резонансі. Physical Review A, 96 (6): 062303, 2017. 10.1103/PhysRevA.96.062303.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.062303

[45] Ши-Цзе Вей, Тао Сінь і Гуй-Лу Лонг. Ефективне моделювання універсального квантового каналу в хмарному квантовому комп’ютері IBM. Science China Physics, Mechanics & Astronomy, 61 (7): 1–10, 2018. 10.1007/s11433-017-9181-9.
https://doi.org/10.1007/s11433-017-9181-9

[46] Маріо Наполітано, Марко Кошоррек, Бріс Дубост, Найме Бехбуд, Р. Дж. Сьюелл і Морган В. Мітчелл. Квантова метрологія на основі взаємодії, що демонструє масштабування за межею Гейзенберга. Nature, 471 (7339): 486–489, 2011. 10.1038/nature09778.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09778

[47] Детальну інформацію про хмарну платформу Quafu можна знайти на веб-сайті, github і в документі.
http:///quafu.baqis.ac.cn/

[48] Цзянфен Ду, Наньян Сю, Сіньхуа Пен, Пенфей Ван, Саньфен Ву та Давей Лу. ЯМР реалізація квантового моделювання молекулярного водню з підготовкою адіабатичного стану. Physical review letters, 104 (3): 030502, 2010. 10.1103/PhysRevLett.104.030502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.030502

[49] Майсум Панджу. Ітераційні методи обчислення власних значень і власних векторів. Препринт arXiv arXiv:1105.1185, 2011. 10.48550/arXiv.1105.1185.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1105.1185
arXiv: 1105.1185

Цитується

[1] Jingwei Wen, Chao Zheng, Zhiguo Huang, and Ling Qian, “Iteration-free digital quantum simulation of imaginary-time evolution based on the approximate unitary expansion”, EPL (Europhysics Letters) 141 6, 68001 (2023).

[2] Божі Ван, Цзінвей Вень, Цзявей Ву, Хаонан Се, Фан Ян, Шицзі Вей і Гуй-Лу Лонг, «Потужний повний квантовий розв’язувач власних джерел для енергетичних зонних структур», arXiv: 2308.03134, (2023).

[3] Jin-Min Liang, Qiao-Qiao Lv, Shu-Qian Shen, Ming Li, Zhi-Xi Wang і Shao-Ming Fei, «Покращений ітеративний квантовий алгоритм для підготовки основного стану», arXiv: 2210.08454, (2022).

[4] Xin Yi, Jia-Cheng Huo, Yong-Pan Gao, Ling Fan, Ru Zhang і Cong Cao, «Ітеративний квантовий алгоритм для комбінаторної оптимізації на основі квантового градієнтного спуску», Підсумки з фізики 56, 107204 (2024).

Вищезазначені цитати від SAO / NASA ADS (останнє оновлення успішно 2024-01-04 14:13:50). Список може бути неповним, оскільки не всі видавці надають відповідні та повні дані про цитування.

Не вдалося отримати Перехресне посилання, наведене за даними під час останньої спроби 2024-01-04 14:13:48: Не вдалося отримати цитовані дані для 10.22331/q-2024-01-04-1219 з Crossref. Це нормально, якщо DOI був зареєстрований нещодавно.

Ця стаття опублікована в Quantum під Creative Commons Attribution 4.0 International (CC на 4.0) ліцензія. Авторське право залишається за оригінальними власниками авторських прав, такими як автори або їх установи.