Відмовостійке квантове обчислення молекулярних спостережуваних

Відмовостійке квантове обчислення молекулярних спостережуваних

Мітка часу: 6 листопада 2023 р., 7:23

Марк Стеудтнер1, Сем Морлі-Шорт1, Вільям Пол1, Сукін Сім1, Крістіан Л. Кортес2, Матіас Лойперсбергер2, Роберт М. Перріш2, Матіас Дегрооте3, Микола Молл3, Рафаель Сантаґаті3 та Майкл Стрейф3

1PsiQuantum, 700 Hansen Way, Palo Alto, CA 94304, США
2QC Ware Corp, Пало-Альто, Каліфорнія 94306, США
3Quantum Lab, Boehringer Ingelheim, 55218 Ingelheim am Rhein, Німеччина

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

абстрактний

За останні три десятиліття було зроблено значне зниження вартості оцінки енергії основного стану молекулярних гамільтоніанів за допомогою квантових комп’ютерів. Однак порівняно мало уваги приділено оцінці очікуваних значень інших спостережуваних величин щодо зазначених основних станів, що важливо для багатьох промислових застосувань. У цій роботі ми представляємо новий квантовий алгоритм оцінки очікуваного значення (EVE), який можна застосувати для оцінки очікуваного значення довільних спостережуваних відносно будь-якого з власних станів системи. Зокрема, ми розглядаємо два варіанти EVE: std-EVE, заснований на стандартній оцінці квантової фази, і QSP-EVE, який використовує методи квантової обробки сигналів (QSP). Ми забезпечуємо ретельний аналіз помилок для обох варіантів і мінімізуємо кількість окремих фазових факторів для QSPEVE. Ці аналізи помилок дозволяють нам виробляти оцінки квантових ресурсів із постійним фактором як для std-EVE, так і для QSP-EVE для різноманітних молекулярних систем і спостережуваних. Для розглянутих систем ми показуємо, що QSP-EVE зменшує кількість вентилів (Тоффолі) до трьох порядків і зменшує ширину кубіта до 25% порівняно зі std-EVE. Хоча передбачувана кількість ресурсів залишається надто високою для перших поколінь відмовостійких квантових комп’ютерів, наші оцінки є першими у своєму роді як для застосування оцінки очікуваного значення, так і для сучасних методів на основі QSP.

Відмовостійке квантове обчислення молекулярних спостережень PlatoBlockchain Data Intelligence. Вертикальний пошук. Ai.

► Дані BibTeX

► Список літератури

[1] Девід Пулен, Метью Б. Гастінгс, Дейв Векер, Натан Вібе, Ендрю С. Доберті та Матіас Троєр. «Розмір кроку, необхідний для точного квантового моделювання квантової хімії». Квантова інформація. обчис. 15, 361–384 (2015).
https: / / doi.org/ 10.5555 / 2871401.2871402

[2] Маркус Райхер, Натан Вібе, Кріста М. Свор, Дейв Векер і Матіас Троєр. «З’ясування механізмів реакції на квантових комп’ютерах». Праці Національної академії наук 114, 7555–7560 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1619152114

[3] Раян Беббуш, Крейг Гідні, Домінік В. Беррі, Натан Вібі, Джаррод МакКлін, Александру Пейлер, Остін Фаулер і Хартмут Невен. “Кодування електронних спектрів у квантових схемах із лінійною T складністю”. Physical Review X 8, 041015 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[4] Домінік В. Беррі, Крейг Гідні, Маріо Мотта, Джаррод Р. МакКлін і Раян Беббуш. “Кубітизація довільної базисної квантової хімії з використанням розрідженості та факторизації низького рангу”. Квант 3, 208 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-12-02-208

[5] Джунхо Лі, Домінік В. Беррі, Крейг Гідні, Вільям Дж. Хаггінс, Джаррод Р. МакКлін, Натан Вібі та Раян Беббуш. «Ще більш ефективні квантові обчислення в хімії через тензорне гіперконтракція». PRX Quantum 2, 030305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030305

[6] Юань Су, Домінік В. Беррі, Натан Вібе, Ніколас Рубін і Райан Беббуш. «Відмовостійке квантове моделювання хімії в першому квантуванні». PRX Quantum 2, 040332 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040332

[7] Айзек Х. Кім, Є-Хуа Лю, Сем Паллістер, Вільям Пол, Сем Робертс і Юнсок Лі. «Відмовостійка оцінка ресурсів для квантово-хімічного моделювання: практичне дослідження молекул електроліту літій-іонної батареї». фіз. Rev. Research 4, 023019 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.023019

[8] Ален Дельгадо, Пабло А. М. Касарес, Роберто дос Рейс, Моджаба Шокріан Зіні, Роберто Кампос, Норге Крус-Ернандес, Арне-Крістіан Фойгт, Ангус Лоу, Соран Джахангірі, М. А. Мартін-Дельгадо, Джонатан Е. Мюллер і Хуан Мігель Арразола. «Моделювання ключових властивостей літій-іонних батарей за допомогою відмовостійкого квантового комп’ютера». фіз. Rev. A 106, 032428 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.106.032428

[9] Віра фон Бург, Гуан Хао Лоу, Томас Хенер, Даміан С. Штайгер, Маркус Райхер, Мартін Роттлер і Матіас Троєр. «Квантові обчислення покращили обчислювальний каталіз». фіз. Rev. Res. 3, 033055 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.033055

[10] Джошуа Дж. Ґонґс, Алек Уайт, Джунхо Лі, Крістофер С. Таутерманн, Матіас Деґрут, Крейг Гідні, Тору Шіозакі, Раян Беббуш та Ніколас С. Рубін. «Надійна оцінка електронної структури цитохрому p450 на сьогоднішніх класичних комп’ютерах і завтрашніх квантових комп’ютерах». Праці Національної академії наук 119, e2203533119 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.2203533119

[11] Томас Е. О'Брайен, Майкл Стрейф, Ніколас С. Рубін, Рафаеле Сантаґаті, Юань Су, Вільям Дж. Хаггінс, Джошуа Дж. Ґоуінгс, Ніколай Молл, Еліка Кьосева, Матіас Дегроот та ін. «Ефективне квантове обчислення молекулярних сил та інших градієнтів енергії». фіз. Rev. Res. 4, 043210 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.043210

[12] Крістофер Джей Крамер. «Основи обчислювальної хімії: теорії та моделі». Джон Вайлі та сини. (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] Раффаеле Сантаґаті, Алан Аспуру-Гузік, Райан Баббуш, Маттіас Дегроут, Летиція Гонсалес, Еліка Кьосева, Ніколай Молл, Маркус Оппель, Роберт М. Перріш, Ніколас С. Рубін, Майкл Стрейф, Крістофер С. Таутерманн, Горст Вайс, Натан Вібе, і Клеменс Учіг-Учіг. «Дизайн ліків на квантових комп’ютерах» (2023). arXiv:2301.04114.
arXiv: 2301.04114

[14] Кліффорд У. Фонг. “Проникність гематоенцефалічного бар’єру: молекулярний механізм транспорту ліків і фізіологічно важливих сполук”. Журнал мембранної біології 248, 651–669 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00232-015-9778-9

[15] Емануель Нілл, Герардо 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

[16] Жиль Брассар, Пітер Хойєр, Мікеле Моска та Ален Тапп. “Посилення та оцінка квантової амплітуди”. Сучасна математика 305, 53–74 (2002).
https://​/​doi.org/​10.1090/​conm/​305/​05215

[17] А.Ю. Китаєв. «Квантові вимірювання та проблема абелевого стабілізатора» (1995). arXiv:quant-ph/​9511026.
arXiv: quant-ph / 9511026

[18] Девід Пулен і Павел Воцян. «Підготовка основних станів квантових багатотільних систем на квантовому комп’ютері». Physical Review Letters 102, 130503 (2009).
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.102.130503

[19] Девід Пулен, Олексій Китаєв, Деміан С. Стайгер, Метью Б. Гастінгс і Маттіас Троєр. «Квантовий алгоритм для спектрального вимірювання з меншою кількістю затворів». фіз. Преподобний Летт. 121, 010501 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.010501

[20] Їмін Ге, Хорді Тура та Дж. 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

[21] 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

[22] Руйче Чжан, Гомін Ван і Пітер Джонсон. «Обчислення властивостей основного стану за допомогою ранніх відмовостійких квантових комп’ютерів». Квант 6, 761 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-11-761

[23] Емануель Нілл, Герардо Ортіс і Роландо Д. Сомма. “Оптимальні квантові вимірювання очікуваних значень спостережуваних”. фіз. Rev. A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328

[24] 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. ACM (2019).

[25] Патрік Ралл. “Квантові алгоритми для оцінки фізичних величин з використанням блокового кодування”. фіз. Rev. A 102, 022408 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.022408

[26] Вільям Дж. Хаггінс, Кіанна Ван, Джаррод МакКлін, Томас Е. О'Браєн, Натан Вібі та Раян Беббуш. «Майже оптимальний квантовий алгоритм для оцінки множинних очікуваних значень». фіз. Преподобний Летт. 129, 240501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.240501

[27] Ар’ян Корнеліссен, Ясін Хамуді та Софієн Джербі. «Майже оптимальні квантові алгоритми для багатовимірної оцінки середнього». У матеріалах 54-го щорічного симпозіуму ACM SIGACT з теорії обчислень. Сторінки 33–43. STOC 2022Нью-Йорк, Нью-Йорк, США (2022). Асоціація обчислювальної техніки.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3520045

[28] Гуан Хао Лоу та Ісаак Л. Чуанг. “Оптимальне гамільтоніанське моделювання шляхом квантової обробки сигналів”. фіз. Преподобний Летт. 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501

[29] 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

[30] Джон М. Мартін, Зейн М. Россі, Ендрю К. Тан і Ісаак Л. Чуанг. “Велике об’єднання квантових алгоритмів”. PRX Quantum 2, 040203 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040203

[31] Вім ван Дам, Г. Мауро Д'Аріано, Артур Екерт, К'яра Маккіавелло та Мікеле Моска. “Оптимальні квантові схеми для оцінки загальної фази”. фіз. Преподобний Летт. 98, 090501 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.090501

[32] Гумаро Рендон, Таку Ізубучі та Юта Кікучі. «Вплив вікна косинусного звуження на оцінку квантової фази». фіз. Ред. D 106, 034503 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.106.034503

[33] Косуке Мітараі, Кіічіро Тойоїдзумі та Ватару Мізукамі. “Теорія збурень з квантовою обробкою сигналу”. Квант 7, 1000 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-05-12-1000

[34] Домінік В. Беррі, Марія Кіферова, Артур Шерер, Ювал Р. Сандерс, Гуан Хао Лоу, Натан Вібе, Крейг Гідні та Райан Беббуш. “Покращені методи підготовки власних станів ферміонних гамільтоніанів”. npj Квантова інформація 4, 22 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-018-0071-5

[35] 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

[36] Юлонг Донг, Лінь Лін і Юй Тонг. «Підготовка основного стану та оцінка енергії на ранніх відмовостійких квантових комп’ютерах за допомогою квантового перетворення власних значень унітарних матриць». PRX Quantum 3, 040305 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.040305

[37] Ерл Т Кемпбелл. «Раннє відмовостійке моделювання моделі Хаббарда». Квантова наука та технологія 7, 015007 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ac3110

[38] Річард Клів, Артур Екерт, К'яра Маккіавелло та Мікеле Моска. «Перегляд квантових алгоритмів». Праці Лондонського королівського товариства. Серія A: Математичні, фізичні та інженерні науки 454, 339–354 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.1998.0164

[39] Крейг Гідні. «Зниження вартості квантового додавання вдвічі». Квант 2, 74 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-06-18-74

[40] Цзясу Ван, Юлонг Донг і Лін Лін. “Про енергетичний ландшафт симетричної квантової обробки сигналів”. Квант 6, 850 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-11-03-850

[41] Гуан Хао Лоу. «Квантова обробка сигналу однокубітною динамікою». кандидатська дисертація. Массачусетський технологічний інститут. (2017).

[42] Юлонг Донг, Сян Мен, К. Біргітта Вейлі та Лін Лін. «Ефективна оцінка фазового фактора в квантовій обробці сигналів». Physical Review A 103, 042419 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​physreva.103.042419

[43] Юлонг Донг, Лін Лін, Хункан Ні та Цзясу Ван. «Нескінченна квантова обробка сигналу» (2022). arXiv:2209.10162.
arXiv: 2209.10162

[44] Діптарка Хайт і Мартін Хед-Гордон. «Наскільки точна теорія функціоналу густини для прогнозування дипольних моментів? Оцінка з використанням нової бази даних із 200 контрольними значеннями». Журнал хімічної теорії та обчислення 14, 1969–1981 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.7b01252

[45] Цімін Сун, Сін Чжан, Самрагні Банерджі, Пен Бао, Марк Барбрі, Нік С. Блант, Микола А. Богданов, Джордж Х. Бут, Цзя Чен, Чжі-Хао Цуй, Янус Дж. Еріксен, Ян Гао, Шенг Го, Ян Германн, Меттью Р. Гермес, Кевін Кох, Пітер Коваль, Сусі Лехтола, Чжендонг Лі, Джунзі Лю, Нарбе Мардіроссян, Джеймс Д. Макклейн, Маріо Мотта, Бастьєн Муссард, Ханг К. Фам, Артем Пулкін, Віраван Пурванто, Пол Дж. Робінсон, Енріко Ронка, Ельвіра Р. Сайфутьярова, Максиміліан Шерер, Генрі Ф. Шуркус, Джеймс Е. Т. Сміт, Чонг Сун, Ши-Нінг Сун, Шів Упадхяй, Лукас К. Вагнер, Сяо Ван, Алек Уайт, Джеймс Деніел Вітфілд, Марк Дж. Вільямсон, Себастьян Ваутерс, Джун Ян, Джейсон М. Ю, Тіанью Чжу, Тімоті С. Беркельбах, Сандіп Шарма, Олександр Ю. Соколов і Гарнет Кін-Лік Чан. «Останні розробки в пакеті програм PySCF». Журнал хімічної фізики 153, 024109 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0006074

[46] Цімін Сан, Тімоті С. Беркельбах, Нік С. Блант, Джордж Х. Бут, Шен Го, Чжендон Лі, Цзюньзі Лю, Джеймс Д. Макклейн, Ельвіра Р. Сайфутьярова, Сандіп Шарма, Себастьян Воутерс і Гарнет Кін-Лік Чан. “Pyscf: система моделювання хімії на основі Python”. WIREs Computational Molecular Science 8, e1340 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1002/​wcms.1340

[47] Хуаньчен Чжай і Гарнет Кін-Лік Чан. “Високопродуктивні алгоритми перенормування матриці щільності ab initio з низьким рівнем зв’язку”. J. Chem. фіз. 154, 224116 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0050902

[48] Домінік Маркс і Юрг Гуттер. “Молекулярна динаміка з початку: теорія та реалізація”. Сучасні методи та алгоритми квантової хімії 1, 141 (2000).
https://​/​doi.org/​10.1017/​CBO9780511609633

[49] Дж. К. Слейтер. «Віріальна та молекулярна структура». Журнал хімічної фізики 1, 687–691 (1933).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1749227

[50] Джеффрі Кон, Маріо Мотта та Роберт М. Перріш. “Діагоналізація квантового фільтра зі стислими подвійними факторними гамільтоніанами”. PRX Quantum 2, 040352 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040352

[51] Гуан Хао Лоу, Вадим Ключников і Люк Шеффер. «Обмін T-ґейтів на брудні кубіти в підготовці стану та унітарному синтезі» (2018). arXiv:1812.00954.
arXiv: 1812.00954

Цитується

[1] Ігнасіо Лоайза та Артур Ф. Ізмайлов, «Блочно-інваріантний зсув симетрії: Техніка попередньої обробки вторинних квантованих гамільтоніанів для покращення їхнього розкладання до лінійної комбінації унітарних одиниць», Журнал хімічної теорії та обчислень acs.jctc.3c00912 (2023).

[2] Олександр М. Далзелл, Сем Макардл, Маріо Берта, Пшемислав Біняс, Чі-Фанг Чен, Андраш Ґільєн, Коннор Т. Ханн, Майкл Дж. Касторяно, Еміль Т. Хабібулін, Олександр Кубіца, Грант Солтон, Самсон Ван та Фернандо Дж. С. Л. Брандао, «Квантові алгоритми: огляд додатків і наскрізних складностей», arXiv: 2310.03011, (2023).

[3] Крістіан Л. Кортес, Маттіас Лойперсбергер, Роберт М. Перріш, Сем Морлі-Шорт, Вільям Пол, Сукін Сім, Марк Стеудтнер, Крістофер С. Таутерманн, Маттіас Дегроут, Ніколай Молл, Раффаеле Сантаґаті та Майкл Стрейф, «Fault» -толерантний квантовий алгоритм для адаптованої до симетрії теорії збурень”, arXiv: 2305.07009, (2023).

[4] Софія Саймон, Рафаеле Сантаґаті, Маттіас Дегроот, Ніколай Молл, Майкл Штрайф і Натан Вібе, «Покращене точне масштабування для моделювання пов’язаної квантово-класичної динаміки», arXiv: 2307.13033, (2023).

[5] Ігнасіо Лоайза та Артур Ф. Ізмайлов, «Блочно-інваріантний зсув симетрії: Техніка попередньої обробки вторинних квантованих гамільтоніанів для покращення їх розкладання до лінійної комбінації унітарних одиниць», arXiv: 2304.13772, (2023).

Вищезазначені цитати від Служба, на яку посилається Crossref (останнє успішно оновлено 2023 11:13:12) і SAO / NASA ADS (останнє оновлення успішно 2023-11-13 12:50:12). 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.

Часова мітка:

Більше від Квантовий журнал