1Департамент комп’ютерних наук Техаського університету в Остіні, Остін, Техас 78712, США.
2Zapata Computing Inc., Бостон, Массачусетс 02110, США.
Вам цей документ цікавий чи ви хочете обговорити? Скайте або залиште коментар на SciRate.
абстрактний
Значні зусилля в прикладних квантових обчисленнях були присвячені проблемі оцінки енергії основного стану для молекул і матеріалів. Тим не менш, для багатьох застосувань, які мають практичну цінність, необхідно оцінити додаткові властивості основного стану. До них належать функції Гріна, які використовуються для обчислення транспорту електронів у матеріалах, і одночастинкові матриці зменшеної щільності, які використовуються для обчислення електричних диполів молекул. У цій статті ми пропонуємо квантово-класичний гібридний алгоритм для ефективної оцінки таких властивостей основного стану з високою точністю за допомогою квантових схем малої глибини. Ми надаємо аналіз різних витрат (повторення ланцюга, максимальний час еволюції та очікуваний загальний час роботи) як функцію точності цілі, спектрального розриву та початкового перекриття основного стану. Цей алгоритм пропонує конкретний підхід до використання ранніх відмовостійких квантових комп’ютерів для виконання галузевих розрахунків молекул і матеріалів.
Популярне резюме
► Дані BibTeX
► Список літератури
[1] Юдонг Цао, Джонатан Ромеро та Алан Аспуру-Гузік. «Потенціал квантових обчислень для відкриття ліків». IBM Journal of Research and Development 62, 6–1 (2018).
https:///doi.org/10.1147/JRD.2018.2888987
[2] Юдонг Цао, Джонатан Ромеро, Джонатан П. Олсон, Матіас 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, 10856–10915 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.8b00803
[3] Алан Аспуру-Гузік, Ентоні Д. Дютой, Пітер Дж. Лав і Мартін Хед-Гордон. “Імітаційне квантове обчислення молекулярних енергій”. Наука 309, 1704–1707 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1113479
[4] Альберто Перуццо, Джаррод МакКлін, Пітер Шедболт, Ман-Хонг Юнг, Сяо-Ці Чжоу, Пітер Дж. Лав, Алан Аспуру-Гузік і Джеремі Л О'Брайен. «Варіаційний вирішувач власних значень на фотонному квантовому процесорі». Nature Communications 5, 1–7 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213
[5] Ігал Меїр і Нед Вінгрін. “Формула Ландауера для струму через область взаємодіючих електронів”. Фізичні оглядові листи 68, 2512 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.2512
[6] Френк Дженсен. “Вступ до комп’ютерної хімії”. Джон Вайлі та сини. (2017).
[7] Томас Е. О'Браєн, Бруно Сенджан, Раміро Сагастізабаль, Ксав'є Боне-Монройг, Аліція Дуткевич, Франческо Буда, Леонардо ДіКарло та Лукас Вісшер. «Обчислення похідних енергії для квантової хімії на квантовому комп’ютері». npj Квантова інформація 5, 1–12 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0213-4
[8] Андріс Амбайніс. “Про фізичні задачі, які трохи складніші за qma”. У 2014 році на 29-й конференції IEEE з обчислювальної складності (CCC). Сторінки 32–43. (2014).
https:///doi.org/10.1109/CCC.2014.12
[9] Севаг Гарібян і Джастін Йірка. “Складність моделювання локальних вимірювань на квантових системах”. Квант 3, 189 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-09-30-189
[10] Севаг Гарібіан, Стівен Піддок та Джастін Йірка. “Класи складності Oracle і локальні вимірювання на фізичних гамільтоніанах”. Крістоф Поль і Маркус Блезер, редактори, 37-й Міжнародний симпозіум з теоретичних аспектів комп’ютерних наук (STACS 2020). Том 154 Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs), сторінки 20:1–20:37. Дагштуль, Німеччина (2020). Замок Дагштуль–Лейбніц-центр інформатики.
https:///doi.org/10.4230/LIPIcs.STACS.2020.20
[11] Девід Пулен і Павел Воцян. «Підготовка основних станів квантових багатотільних систем на квантовому комп’ютері». Фізичні оглядові листи 102, 130503 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.130503
[12] Їмін Ге, Жорді Тура та Ігнасіо Сірак. «Швидша підготовка основного стану та високоточна оцінка енергії землі з меншою кількістю кубітів». Журнал математичної фізики 60, 022202 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5027484
[13] Лін Лін і Юй Тун. «Підготовка до майже оптимального основного стану». Квант 4, 372 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-14-372
[14] Сем МакАрдл, Олександр Майоров, Сяо Шань, Саймон Бенджамін і Сяо Юань. “Цифрове квантове моделювання молекулярних коливань”. Хімічна наука 10, 5725–5735 (2019).
https:///doi.org/10.1039/C9SC01313J
[15] Жером Ф. Гонтьє, Максвелл Д. Радін, Корнеліу Буда, Ерік Дж. Доскокіл, Клена М. Абуан і Джонатан Ромеро. «Виявлення проблем на шляху до практичної квантової переваги через оцінку ресурсу: блок-пост вимірювань у варіаційному квантовому вирішувачі власних даних» (2020). arXiv:2012.04001.
arXiv: 2012.04001
[16] Гуомінг Ван, Дакс Еншань Ко, Пітер Д Джонсон і Юдонг Цао. «Мінімізація часу виконання оцінки на шумних квантових комп’ютерах». PRX Quantum 2, 010346 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010346
[17] Раян Беббуш, Джаррод Р. Макклін, Майкл Ньюман, Крейг Гідні, Серхіо Бойшо та Хартмут Невен. «Зосередьтеся на квадратичних прискореннях для отримання квантової переваги з виправленням помилок». PRX Quantum 2, 010103 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010103
[18] Кайл Е. К. Бут, Браян О'Горман, Джеффрі Маршалл, Стюарт Хедфілд та Елеонора Ріффель. “Квантово-прискорене програмування обмежень”. Квант 5, 550 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-09-28-550
[19] Ерл Т Кемпбелл. «Раннє відмовостійке моделювання моделі Хаббарда». Квантова наука та технологія 7, 015007 (2021).
https:///doi.org/10.1088/2058-9565/ac3110
[20] Лін Лін і Юй Тун. «Обмежена Гейзенбергом оцінка енергії основного стану для ранніх відмовостійких квантових комп’ютерів». PRX Quantum 3, 010318 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010318
[21] Девід Лейден. «Помилка рисака першого порядку з точки зору другого порядку». фіз. Преподобний Летт. 128, 210501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.210501
[22] Роландо Д Сомма. «Оцінка квантового власного значення за допомогою аналізу часових рядів». New Journal of Physics 21, 123025 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab5c60
[23] Лаура Клінтон, Йоганнес Бауш, Джоел Классен і Тобі Кубітт. «Оцінка фази локальних гамільтоніанів на обладнанні nisq» (2021). arXiv:2110.13584.
arXiv: 2110.13584
[24] Патрік Ралл. «Швидші когерентні квантові алгоритми для оцінки фази, енергії та амплітуди». Квант 5, 566 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-10-19-566
[25] Домінік Беррі, Ендрю Чайлдс, Річард Клів, Робін Котарі та Роландо Д Сомма. “Моделювання гамільтонової динаміки з усіченим рядом Тейлора”. Фізичні оглядові листи 114, 090502 (2015). url: doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.090502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.090502
[26] Гуан Хао Лоу та Ісаак Л Чуанг. “Оптимальне гамільтоніанське моделювання шляхом квантової обробки сигналів”. Фізичні оглядові листи 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501
[27] Ендрю Чайлдс, Дмитро Маслов, Юнсон Нам, Ніл Дж. Росс і Юань Су. «На шляху до першого квантового моделювання з квантовим прискоренням». Праці Національної академії наук 115, 9456–9461 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1801723115
[28] Гуан Хао Лоу та Ісаак Л Чуанг. “Гамільтонівське моделювання шляхом кубітизації”. Квант 3, 163 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-12-163
[29] Емануель Нілл, Херардо Ортіс і Роландо Д Сомма. “Оптимальні квантові вимірювання очікуваних значень спостережуваних”. Physical Review A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328
[30] Джеймс Д. Вотсон, Йоганнес Бауш і Севаг Гарібіан. «Складність трансляційно інваріантних проблем поза енергіями основного стану» (2020). arXiv:2012.12717.
arXiv: 2012.12717
[31] Альберто Перуццо, Джаррод МакКлін, Пітер Шедболт, Ман-Хонг Юнг, Сяо-Ці Чжоу, Пітер Дж. Лав, Алан Аспуру-Гузік і Джеремі Л О'Брайен. «Варіаційний вирішувач власних значень на фотонному квантовому процесорі». Nature Communications 5, 1–7 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213
[32] Джаррод Р. Макклін, Джонатан Ромеро, Раян Беббуш та Алан Аспуру-Гузік. “Теорія варіаційних гібридних квантово-класичних алгоритмів”. Новий журнал фізики 18, 023023 (2016).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/2/023023
[33] Аттіла Сабо та Ніл С Остлунд. “Сучасна квантова хімія: вступ до передової теорії електронної структури”. Кур'єрська корпорація. (2012).
[34] Севаг Гарібіан і Франсуа Ле Гал. «Деквантування квантового перетворення сингулярного значення: жорсткість і застосування до квантової хімії та квантової гіпотези pcp». У матеріалах 54-го щорічного симпозіуму ACM SIGACT з теорії обчислень. Сторінки 19–32. (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3519991
[35] Шантанав Чакраборті, Андраш Гільєн і Стейсі Джеффрі. «Потужність блочно-кодованих степенів матриці: покращені методи регресії за допомогою швидшого гамільтоніанського моделювання». У Крістель Баєр, Іоанніс Хацігіаннакіс, Паола Флоккіні та Стефано Леонарді, редактори, 46-й Міжнародний колоквіум з автоматів, мов і програмування (ICALP 2019). Том 132 Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs), сторінки 33:1–33:14. Дагштуль, Німеччина (2019). Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum fuer Informatik.
https:///doi.org/10.4230/LIPIcs.ICALP.2019.33
[36] Андраш Гільєн, Юань Су, Гуан Хао Лоу та Натан Вібе. «Квантова сингулярна трансформація значень і далі: експоненціальні вдосконалення для квантової матричної арифметики». У матеріалах 51-го щорічного симпозіуму ACM SIGACT з теорії обчислень. Сторінки 193–204. (2019).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3313276.3316366
[37] Патрік Ралл. “Квантові алгоритми для оцінки фізичних величин з використанням блокового кодування”. Physical Review A 102, 022408 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.022408
[38] Ю Тонг, Дон Ан, Натан Вібе та Лін Лін. “Швидка інверсія, розв’язувачі квантових лінійних систем з попередньою умовою, швидке обчислення функції Гріна та швидке оцінювання матричних функцій”. Physical Review A 104, 032422 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.032422
[39] Джулія Е. Райс, Танві П. Гуджараті, Маріо Мотта, Тайлер І. Такешіта, Юнсок Лі, Джозеф А. Латоне та Жаннет М. Гарсія. «Квантове обчислення домінуючих продуктів у літій-сірчаних батареях». Журнал хімічної фізики 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068
[40] Тригве Хельгакер, Поул Йоргенсен і Єппе Ольсен. “Теорія електронної будови молекул”. Джон Вайлі та сини. (2014).
https: / / doi.org/ 10.1002 / 9781119019572
[41] Джейкоб Т. Сілі, Мартін Дж. Річард і Пітер Дж. Лав. “Перетворення Бравого-Китаєва для квантового обчислення електронної структури”. Журнал хімічної фізики 137, 224109 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4768229
[42] Арам В. Харроу, Авінатан Хасидім і Сет Ллойд. “Квантовий алгоритм для лінійних систем рівнянь”. Фізичні оглядові листи 103, 150502 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502
[43] Ендрю Чайлдс, Робін Котарі та Роландо Д Сомма. “Квантовий алгоритм для систем лінійних рівнянь з експоненціально покращеною залежністю від точності”. SIAM Journal on Computing 46, 1920–1950 (2017).
https:///doi.org/10.1137/16M1087072
[44] Карлос Браво-Прієто, Райан ЛаРоз, М. Серезо, Їгіт Субасі, Лукаш Сінчіо та Патрік Дж. Коулз. «Варіаційний квантовий лінійний вирішувач» (2019). arXiv:1909.05820.
arXiv: 1909.05820
[45] Сінь-Юань Хуан, Кішор Бхарті та Патрік Ребентрост. “Найближчі квантові алгоритми для лінійних систем рівнянь з регресійними функціями втрат”. New Journal of Physics 23, 113021 (2021).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/ac325f
[46] Їгіт Субаші, Роландо Д Сомма та Давіде Орсуччі. «Квантові алгоритми для систем лінійних рівнянь на основі адіабатичного квантового обчислення». Листи фізичного огляду 122, 060504 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.060504
[47] Дон Ан і Лін Лін. «Програма вирішення квантових лінійних систем на основі адіабатичних квантових обчислень з оптимальним часом і алгоритмом квантової наближеної оптимізації». ACM Transactions on Quantum Computing 3 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3498331
[48] Лін Лін і Юй Тун. «Оптимальна фільтрація квантових власних станів на основі поліномів із застосуванням до вирішення квантових лінійних систем». Квант 4, 361 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-11-11-361
[49] Роландо Д Сомма та Серхіо Бойхо. “Посилення спектральної щілини”. SIAM Journal on Computing 42, 593–610 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 120871997
[50] Йосі Атіа та Доріт Ааронов. «Швидке перемотування гамільтоніанів і експоненціально точні вимірювання». Nature Communications 8, 1–9 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41467-017-01637-7
[51] Брілін Браун, Стівен Т. Фламмія та Норберт Шух. “Обчислювальна складність обчислення щільності станів”. Фізичні оглядові листи 107, 040501 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.040501
[52] Стівен П. Джордан, Девід Госсет і Пітер Дж. Лав. “Квантово-Мерліна-Артура–повні проблеми для стоквастичних гамільтоніанів і марковських матриць”. Physical Review A 81, 032331 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.032331
[53] Севаг Гарібян і Джеймі Сікора. “Зв’язність основних станів локальних гамільтоніанів”. ACM Trans. обчис. Теорія 10 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3186587
[54] Джеймс Д. Уотсон і Йоганнес Бауш. «Складність апроксимації критичних точок квантових фазових переходів» (2021). arXiv:2105.13350.
arXiv: 2105.13350
Цитується
[1] Пабло А. М. Касарес, Роберто Кампос і М. А. Мартін-Дельгадо, «TFermion: Бібліотека оцінки вартості не-Кліффордового затвора алгоритмів оцінки квантової фази для квантової хімії», Квант 6, 768 (2022).
[2] Ю Тонг, «Розробка алгоритмів для оцінки властивостей основного стану на ранніх відмовостійких квантових комп’ютерах», Quantum Views 6, 65 (2022).
[3] Yulong Dong, Lin Lin та Yu Tong, «Підготовка основного стану та оцінка енергії на ранніх відмовостійких квантових комп’ютерах за допомогою квантового перетворення власних значень унітарних матриць», arXiv: 2204.05955.
[4] Пітер Д. Джонсон, Олександр А. Куніца, Жером Ф. Гонтьє, Максвелл Д. Радін, Корнеліу Буда, Ерік Дж. Доскокіл, Клена М. Абуан і Джонатан Ромеро, «Зменшення вартості оцінки енергії у варіаційному алгоритм квантового розв’язувача власних сигналів із стійкою оцінкою амплітуди”, arXiv: 2203.07275.
[5] Guoming Wang, Sukin Sim та Peter D. Johnson, “State Preparation Boosters for Early Fault-Tolerant Quantum Computation”, arXiv: 2202.06978.
Вищезазначені цитати від Служба, на яку посилається Crossref (останнє успішно оновлено 2022 07:28:15) і SAO / NASA ADS (останнє оновлення успішно 2022-07-28 15:34:05). Список може бути неповним, оскільки не всі видавці надають відповідні та повні дані про цитування.
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.
