Tăng tốc thuật toán lượng tử bằng tính toán trước

Tăng tốc thuật toán lượng tử bằng tính toán trước

Tăng tốc các thuật toán lượng tử bằng tính toán trước thông minh dữ liệu PlatoBlockchain. Tìm kiếm dọc. Ái.

William J. Huggins và Jarrod R. McClean

Google Quantum AI, Venice, CA, Hoa Kỳ

Tìm bài báo này thú vị hay muốn thảo luận? Scite hoặc để lại nhận xét về SciRate.

Tóm tắt

Các ứng dụng điện toán trong thế giới thực có thể cực kỳ nhạy cảm với thời gian. Sẽ rất có giá trị nếu chúng ta có thể đẩy nhanh những nhiệm vụ như vậy bằng cách thực hiện trước một số công việc. Được thúc đẩy bởi điều này, chúng tôi đề xuất một mô hình chi phí cho các thuật toán lượng tử cho phép tính toán trước lượng tử; tức là đối với số lượng đa thức tính toán “miễn phí” trước khi đầu vào của thuật toán được chỉ định đầy đủ và các phương pháp để tận dụng lợi thế của nó. Chúng tôi phân tích hai họ đơn vị được triển khai trong mô hình chi phí này một cách tiệm cận hiệu quả hơn so với mô hình tiêu chuẩn. Ví dụ đầu tiên về tính toán trước lượng tử, dựa trên lũy thừa ma trận mật độ, có thể mang lại lợi thế theo cấp số nhân trong một số điều kiện nhất định. Ví dụ thứ hai sử dụng một biến thể của dịch chuyển tức thời qua cổng để đạt được lợi thế bậc hai khi so sánh với việc triển khai trực tiếp các đơn vị. Những ví dụ này gợi ý rằng tính toán trước lượng tử có thể mang lại một lĩnh vực mới để tìm kiếm lợi thế lượng tử.

► Dữ liệu BibTeX

► Tài liệu tham khảo

[1] S Aaronson. Những hạn chế của lời khuyên lượng tử và giao tiếp một chiều. Trong Kỷ yếu. Hội nghị thường niên lần thứ 19 của IEEE về độ phức tạp tính toán, 2004, trang 320–332. IEEE, 2004. ISBN 9780769521206. 10.1109/​ccc.2004.1313854.
https: / / doi.org/ 10.1109 / ccc.2004.1313854

[2] Scott Aaronson và Andris Ambainis. Mối quan hệ. Trong Kỷ yếu của hội nghị chuyên đề ACM thường niên lần thứ 15 về Lý thuyết Máy tính, STOC '307, trang 316–14, New York, NY, Hoa Kỳ, ngày 2015 tháng 9781450335362 năm 10.1145. ACM. ISBN 2746539.2746547. XNUMX/​XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 2746539.2746547

[3] Scott Aaronson và Guy N Rothblum. Đo lường nhẹ nhàng các trạng thái lượng tử và quyền riêng tư khác biệt. Ngày 18 tháng 2019 năm 1904.08747. URL http://​/​arxiv.org/​abs/​XNUMX.
arXiv: 1904.08747

[4] Ryan Babbush, Jarrod R McClean, Michael Newman, Craig Gidney, Sergio Boixo và Hartmut Neven. Tập trung vào việc tăng tốc bậc hai để có được lợi thế lượng tử được sửa lỗi. Lượng tử PRX, 2 (1): 010103, ngày 29 tháng 2021 năm 2691. ISSN 3399-10.1103. 2.010103/​prxquantum.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / prxquantum.2.010103

[5] Daniel J Bernstein và Tanja Lange. Các vết nứt không đồng đều trong bê tông: Sức mạnh của việc tính toán trước miễn phí. Trong Những tiến bộ về mật mã học – ASIACRYPT 2013, Bài giảng về khoa học máy tính, trang 321–340. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 2013. ISBN 9783642420443,9783642420450. 10.1007/​978-3-642-42045-0_17.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-42045-0_17

[6] Dominic W Berry, Craig Gidney, Mario Motta, Jarrod R McClean và Ryan Babbush. Qubitization của hóa học lượng tử cơ sở tùy ý tận dụng tính thưa thớt và hệ số xếp hạng thấp. Ngày 6 tháng 2019 năm 10.22331. URL https://​/​doi.org/​2019/​q-12-02-208-XNUMX.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-12-02-208

[7] Jacob Biamonte, Peter Wittek, Nicola Pancotti, Patrick Rebentrost, Nathan Wiebe và Seth Lloyd. Học máy lượng tử. Thiên nhiên, 549 (7671): 195–202, tháng 2017 năm 0028. ISSN 0836,1476-4687-10.1038. 23474/​thiên nhiênXNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1038 / thiên nhiên23474

[8] Sergey Bravyi và Alexei Kitaev. Tính toán lượng tử phổ quát với các cổng vách đá lý tưởng và các ancillas ồn ào. Vật lý. Rev. A, 71 (2): 022316, ngày 22 tháng 2005 năm 1050. ISSN 2947,1094-1622-10.1103. 71.022316/​physreva.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / Physreva.71.022316

[9] Sergey Bravyi và Dmitri Maslov. Các mạch không có Hadamard bộc lộ cấu trúc của nhóm vách đá. IEEE Trans. Thông tin Lý thuyết, 67 (7): 4546–4563, tháng 2021 năm 0018. ISSN 9448,1557-9654-10.1109. 2021.3081415/​tit.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1109 / tit.2021.3081415

[10] Bá tước T Campbell và Joe O'Gorman. Một cách tiếp cận trạng thái ma thuật hiệu quả đối với các phép quay góc nhỏ. Ngày 14 tháng 2016 năm 10.1088. URL https://​/​doi.org/​2058/​9565-1/​1/​015007/​XNUMX.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​1/​1/​015007

[11] Sitan Chen, Jordan Cotler, Hsin-Yuan Huang và Jerry Li. Sự phân tách theo cấp số nhân giữa việc học có và không có bộ nhớ lượng tử. Vào năm 2021, Hội nghị chuyên đề thường niên lần thứ 62 của IEEE về Nền tảng Khoa học Máy tính (FOCS). IEEE, tháng 2022 năm 10.1109. 52979.2021.00063/​focsXNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1109 / focs52979.2021.00063

[12] Andrew M Childs, Robin Kothari và Rolando D Somma. Thuật toán lượng tử cho các hệ phương trình tuyến tính với sự phụ thuộc theo cấp số nhân vào độ chính xác. SIAM J. Comput., 46 (6): 1920–1950, ngày 1 tháng 2017 năm 0097. ISSN 5397-10.1137. 16/​1087072MXNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1137 / 16M1087072

[13] N Cody Jones, James D Whitfield, Peter L McMahon, Man-Hong Yung, Rodney Van Meter, Alán Aspuru-Guzik và Yoshihisa Yamamoto. Mô phỏng hóa học lượng tử nhanh hơn trên máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi New J. Phys., 14 (11): 115023, ngày 27 tháng 2012 năm 1367. ISSN 2630-10.1088. 1367/​2630-14/​11/​115023/​XNUMX.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​14/​11/​115023

[14] Pedro CS Costa, Đông An, Yuval R Sanders, Yuan Su, Ryan Babbush và Dominic W Berry. Bộ giải hệ thống tuyến tính lượng tử có tỷ lệ tối ưu thông qua định lý đoạn nhiệt rời rạc. Lượng tử PRX, 3 (4): 040303, ngày 7 tháng 2022 năm 2691. ISSN 3399-10.1103. 3.040303/​prxquantum.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / prxquantum.3.040303

[15] Jordan Cotler, Hsin-Yuan Huang và Jarrod R McClean. Xem xét lại quá trình khử lượng tử và lợi thế lượng tử trong các nhiệm vụ học tập. Ngày 1 tháng 2021 năm 2112.00811. URL http://​/​arxiv.org/​abs/​XNUMX.
arXiv: 2112.00811

[16] Shawn X Cui, Daniel Gottesman và Anirudh Krishna. Cổng chéo trong hệ thống phân cấp của vách đá. Vật lý. Rev. A, 95 (1), ngày 26 tháng 2017 năm 2469. ISSN 9926,2469-9934-10.1103. 95.012329/​physreva.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / Physreva.95.012329

[17] Edward Farhi, Jeffrey Goldstone và Sam Gutmann. Một thuật toán tối ưu hóa gần đúng lượng tử. Ngày 14 tháng 2014 năm 1411.4028. URL http://​/​arxiv.org/​abs/​XNUMX.
arXiv: 1411.4028

[18] Austin G Fowler. Tính toán lượng tử tối ưu theo thời gian. Ngày 17 tháng 2012 năm 1210.4626. URL http://​/​arxiv.org/​abs/​XNUMX.
arXiv: 1210.4626

[19] Sevag Gharibian và François Le Gall. Giải lượng tử hóa sự biến đổi giá trị lượng tử số ít: độ cứng và ứng dụng vào hóa học lượng tử và giả thuyết PCP lượng tử. Trong Kỷ yếu của Hội nghị chuyên đề ACM SIGACT thường niên lần thứ 54 về Lý thuyết máy tính, STOC 2022, trang 19–32, New York, NY, Hoa Kỳ, ngày 9 tháng 2022 năm 9781450392648. ACM. ISBN 10.1145. 3519935.3519991/​XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3519991

[20] Craig Gidney và Martin Ekerå. Cách phân tích số nguyên RSA 2048 bit trong 8 giờ bằng cách sử dụng 20 triệu qubit nhiễu. Lượng tử, 5 (433): 433, ngày 15 tháng 2021 năm 2521. ISSN 327-10.22331X. 2021/​q-04-15-433-XNUMX.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-04-15-433

[21] Craig Gidney và Austin G Fowler. Bố trí linh hoạt các tính toán mã bề mặt sử dụng trạng thái AutoCCZ. Ngày 21 tháng 2019 năm 1905.08916. URL http://​/​arxiv.org/​abs/​XNUMX.
arXiv: 1905.08916

[22] András Gilyén và Alexander Poremba. Các thuật toán lượng tử được cải tiến để ước tính độ trung thực. Ngày 29 tháng 2022 năm 2203.15993. URL http://​/​arxiv.org/​abs/​XNUMX.
arXiv: 2203.15993

[23] Daniel Gottesman và Isaac L Chuang. Dịch chuyển tức thời lượng tử là một phương pháp tính toán nguyên thủy phổ quát. Ngày 2 tháng 1999 năm 10.1038. URL https://​/​doi.org/​46503/​XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1038 / 46503

[24] Leo Grady và Ali Kemal Sinop. Phân đoạn máy đi bộ ngẫu nhiên gần đúng nhanh chóng bằng cách sử dụng tính toán trước vectơ riêng. Trong Hội nghị IEEE năm 2008 về Thị giác máy tính và Nhận dạng mẫu, trang 1–8. IEEE, tháng 2008 năm 9781424422425. ISBN 10.1109. 2008.4587487/​cvpr.XNUMX.
https://​/​doi.org/​10.1109/​cvpr.2008.4587487

[25] Lov K Grover. Một thuật toán cơ học lượng tử nhanh để tìm kiếm cơ sở dữ liệu. Trong Kỷ yếu của hội nghị chuyên đề ACM thường niên lần thứ 96 về Lý thuyết điện toán – STOC '96, STOC '212, trang 219–1996, New York, New York, USA, 9780897917858. ACM Press. ISBN 10.1145. 237814.237866/​XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 237814.237866

[26] Aram W Harrow, Avinatan Hassidim và Seth Lloyd. Thuật toán lượng tử cho hệ phương trình tuyến tính. Vật lý. Mục sư Lett., 103 (15): 150502, ngày 9 tháng 2009 năm 0031. ISSN 9007,1079-7114-10.1103. 103.150502/​PhysRevLett.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502

[27] Hsin-Yuan Huang, Michael Broughton, Jordan Cotler, Sitan Chen, Jerry Li, Masoud Mohseni, Hartmut Neven, Ryan Babbush, Richard Kueng, John Preskill và Jarrod R McClean. Lợi thế lượng tử trong việc học từ các thí nghiệm. Khoa học, 376 (6598): 1182–1186, ngày 10 tháng 2022 năm 0036. ISSN 8075,1095-9203-10.1126. 7293/​science.abnXNUMX.
https://​/​doi.org/​10.1126/​science.abn7293

[28] Cody Jones. Các giao thức chưng cất cho các trạng thái phạm vi trong điện toán lượng tử. Ngày 12 tháng 2013 năm 1303.3066. URL http://​/​arxiv.org/​abs/​XNUMX.
arXiv: 1303.3066

[29] John Kallaugher. Một lợi thế lượng tử cho vấn đề phát trực tuyến tự nhiên. Năm 2021, Hội nghị chuyên đề thường niên lần thứ 62 của IEEE về Nền tảng Khoa học Máy tính (FOCS), trang 897–908. IEEE, tháng 2022 năm 10.1109. 52979.2021.00091/​focsXNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1109 / focs52979.2021.00091

[30] Richard M Karp và Richard J Lipton. Một số kết nối giữa các lớp phức tạp không đồng nhất và đồng nhất. Trong Kỷ yếu của hội nghị chuyên đề ACM thường niên lần thứ 80 về Lý thuyết điện toán – STOC '80, STOC '302, trang 309–28, New York, New York, Hoa Kỳ, ngày 1980 tháng 9780897910170 năm 10.1145. Nhà xuất bản ACM. ISBN 800141.804678. XNUMX/​XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 800141.804678

[31] Shelby Kimmel, Cedric Yen-Yu Lin, Guan Hao Low, Maris Ozols và Theodore J Yoder. Mô phỏng Hamilton với độ phức tạp mẫu tối ưu. Npj Quantum Inf., 3 (1): 1–7, ngày 30 tháng 2017 năm 2056. ISSN 6387,2056-6387-10.1038. 41534/​s017-0013-7-XNUMX.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-017-0013-7

[32] Francois Le Gall. Sự phân tách theo cấp số nhân của độ phức tạp của không gian trực tuyến lượng tử và cổ điển. Trong Kỷ yếu của hội nghị chuyên đề ACM thường niên lần thứ mười tám về Tính song song trong thuật toán và kiến ​​trúc, SPAA '06, trang 67–73, New York, NY, Hoa Kỳ, ngày 30 tháng 2006 năm 9781595934529. ACM. ISBN 10.1145. 1148109.1148119/​XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1148109.1148119

[33] Lâm Lâm và Vu Đồng. Lọc trạng thái riêng lượng tử dựa trên đa thức tối ưu với ứng dụng giải các hệ tuyến tính lượng tử. Lượng tử, 4 (361): 361, ngày 11 tháng 2020 năm 2521. ISSN 327-10.22331X. 2020/​q-11-11-361-XNUMX.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-11-11-361

[34] Daniel Litinski. Chưng cất trạng thái ma thuật: Không tốn kém như bạn nghĩ. Lượng tử, 3 (205): 205, ngày 2 tháng 2019 năm 2521a. ISSN 327-10.22331X. 2019/​q-12-02-205-XNUMX.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-12-02-205

[35] Daniel Litinski. Trò chơi mã bề mặt: Điện toán lượng tử quy mô lớn với phẫu thuật mạng. Lượng tử, 3 (128): 128, ngày 5 tháng 2019 năm 2521b. ISSN 327-10.22331X. 2019/​q-03-05-128-XNUMX.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-03-05-128

[36] Seth Lloyd, Masoud Mohseni và Patrick Rebentrost. Phân tích thành phần chính lượng tử. Nat. Phys., 10 (9): 631–633, ngày 27 tháng 2014 năm 1745. ISSN 2473,1745-2481-10.1038. 3029/​nphysXNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys3029

[37] John M Martyn, Zane M Rossi, Andrew K Tan và Isaac L Chuang. Sự thống nhất lớn của các thuật toán lượng tử. Lượng tử PRX, 2 (4): 040203, ngày 3 tháng 2021 năm 2691. ISSN 3399-10.1103. 2.040203/​prxquantum.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / prxquantum.2.040203

[38] Iman Marvian và Seth Lloyd. Trình mô phỏng lượng tử phổ quát. Ngày 8 tháng 2016 năm 1606.02734. URL http://​/​arxiv.org/​abs/​XNUMX.
arXiv: 1606.02734

[39] F Motzoi, Nghị sĩ Kaicher và FK Wilhelm. Thành phần thời gian tuyến tính và logarit của các toán tử lượng tử nhiều vật thể. Vật lý. Mục sư Lett., 119 (16): 160503, ngày 20 tháng 2017 năm 0031. ISSN 9007,1079-7114-10.1103. 119.160503/​PhysRevLett.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.160503

[40] Michael A Nielsen. Tính toán lượng tử quang học sử dụng trạng thái cụm. Vật lý. Mục sư Lett., 93 (4): 040503, ngày 23 tháng 2004 năm 0031. ISSN 9007,1079-7114-10.1103. 93.040503/​PhysRevLett.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.93.040503

[41] Bryan O'Gorman, William J Huggins, Eleanor G Rieffel và K Birgitta Whaley. Mạng trao đổi tổng quát cho điện toán lượng tử ngắn hạn. Ngày 13 tháng 2019 năm 1905.05118. URL http://​/​arxiv.org/​abs/​XNUMX.
arXiv: 1905.05118

[42] Paul Phạm và Krysta M Svore. Kiến trúc lượng tử lân cận gần nhất 2D để phân tích độ sâu đa giác. Ngày 27 tháng 2012 năm 1207.6655. URL http://​/​arxiv.org/​abs/​XNUMX.
arXiv: 1207.6655

[43] R Raussendorf và HJ Briegel. Một máy tính lượng tử một chiều. Vật lý. Mục sư Lett., 86 (22): 5188–5191, ngày 28 tháng 2001 năm 0031. ISSN 9007,1079-7114-10.1103. 86.5188/​PhysRevLett.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.86.5188

[44] Yuval R Sanders, Dominic W Berry, Pedro CS Costa, Louis W Tessler, Nathan Wiebe, Craig Gidney, Hartmut Neven và Ryan Babbush. Biên soạn các phương pháp phỏng đoán lượng tử có khả năng chịu lỗi để tối ưu hóa tổ hợp. Lượng tử PRX, 1 (2): 020312, ngày 9 tháng 2020 năm 2691. ISSN 3399-10.1103. 1.020312/​prxquantum.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / prxquantum.1.020312

[45] Dan Shepherd và Michael J Bremner. Tính toán lượng tử không có cấu trúc tạm thời. Proc. Toán học. Vật lý. Anh. Khoa học, 465 (2105): 1413–1439, ngày 8 tháng 2009 năm 1364. ISSN 5021,1471-2946-10.1098. 2008.0443/​rspa.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2008.0443

[46] Peter-Pike Sloan, Jan Kautz và John Snyder. Truyền bức xạ được tính toán trước để hiển thị theo thời gian thực trong môi trường ánh sáng động, tần số thấp. Trong Kỷ yếu của hội nghị thường niên lần thứ 29 về Đồ họa máy tính và kỹ thuật tương tác, SIGGRAPH '02, trang 527–536, New York, NY, Hoa Kỳ, ngày 1 tháng 2002 năm 9781581135213. ACM. ISBN 10.1145. 566570.566612/​XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 566570.566612

[47] James E Smith. Nghiên cứu các chiến lược dự đoán nhánh Trong 25 năm hội nghị chuyên đề quốc tế về Kiến trúc máy tính (các bài được chọn), ISCA '98, trang 202–215, New York, NY, USA, ngày 1 tháng 1998 năm 9781581130584. ACM. ISBN 10.1145. 285930.285980/​XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 285930.285980

[48] Rolando D Somma và Yiğit Subaşı. Sự phức tạp của việc xác minh trạng thái lượng tử trong bài toán hệ thống tuyến tính lượng tử. Lượng tử PRX, 2 (1): 010315, ngày 27 tháng 2021 năm 2691. ISSN 3399-10.1103. 2.010315/​prxquantum.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / prxquantum.2.010315

[49] Barbara M Terhal. Sửa lỗi lượng tử cho bộ nhớ lượng tử. Mục sư Mod. Phys., 87 (2): 307–346, ngày 7 tháng 2015 năm 0034. ISSN 6861,1539-0756-10.1103. 87.307/​revmodphys.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / revmodphys, 87.307

[50] Xinlan Chu, Debbie W Leung và Isaac L Chuang. Phương pháp xây dựng cổng logic lượng tử. Vật lý. Rev. A, 62 (5), ngày 18 tháng 2000 năm 1050. ISSN 2947,1094-1622-10.1103. 62.052316/​physreva.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / Physreva.62.052316

Trích dẫn

[1] Dar Gilboa và Jarrod R. McClean, “Lợi thế giao tiếp lượng tử theo cấp số nhân trong học tập phân tán”, arXiv: 2310.07136, (2023).

[2] Pablo Rodriguez-Grasa, Ruben Ibarrondo, Javier Gonzalez-Conde, Yue Ban, Patrick Rebentrost và Mikel Sanz, “Lũy thừa ma trận mật độ được hỗ trợ nhân bản gần đúng lượng tử”, arXiv: 2311.11751, (2023).

Các trích dẫn trên là từ SAO / NASA ADS (cập nhật lần cuối thành công 2024 / 02-22 13:13:08). Danh sách có thể không đầy đủ vì không phải tất cả các nhà xuất bản đều cung cấp dữ liệu trích dẫn phù hợp và đầy đủ.

Không thể tìm nạp Crossref trích dẫn bởi dữ liệu trong lần thử cuối cùng 2024 / 02-22 13:13:06: Không thể tìm nạp dữ liệu được trích dẫn cho 10.22331 / q-2024 / 02-22-1264 từ Crossref. Điều này là bình thường nếu DOI đã được đăng ký gần đây.

Dấu thời gian:

Thêm từ Tạp chí lượng tử