1Khoa Khoa học Máy tính, Đại học Texas ở Austin, Austin, TX 78712, Hoa Kỳ.
2Zapata Computing Inc., Boston, MA 02110, Hoa Kỳ.
Tìm bài báo này thú vị hay muốn thảo luận? Scite hoặc để lại nhận xét về SciRate.
Tóm tắt
Nỗ lực đáng kể trong tính toán lượng tử ứng dụng đã được dành cho vấn đề ước tính năng lượng ở trạng thái cơ bản cho các phân tử và vật liệu. Tuy nhiên, đối với nhiều ứng dụng có giá trị thực tế, các thuộc tính bổ sung của trạng thái cơ bản phải được ước tính. Chúng bao gồm các hàm Green được sử dụng để tính toán sự vận chuyển điện tử trong vật liệu và các ma trận mật độ giảm một hạt được sử dụng để tính toán các lưỡng cực điện của các phân tử. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một thuật toán lai lượng tử cổ điển để ước tính hiệu quả các thuộc tính trạng thái cơ bản như vậy với độ chính xác cao bằng cách sử dụng các mạch lượng tử có độ sâu thấp. Chúng tôi cung cấp một phân tích về các chi phí khác nhau (số lần lặp lại mạch, thời gian tiến hóa tối đa và tổng thời gian chạy dự kiến) dưới dạng hàm của độ chính xác của mục tiêu, khoảng cách quang phổ và trạng thái trùng lặp trạng thái cơ bản ban đầu. Thuật toán này gợi ý một cách tiếp cận cụ thể để sử dụng các máy tính lượng tử sớm có khả năng chịu lỗi để thực hiện các tính toán vật liệu và phân tử liên quan đến ngành.
Tóm tắt phổ biến
► Dữ liệu BibTeX
► Tài liệu tham khảo
[1] Yudong Cao, Jhonathan Romero và Alán Aspuru-Guzik. “Tiềm năng của điện toán lượng tử để khám phá thuốc”. Tạp chí Nghiên cứu và Phát triển của IBM 62, 6–1 (2018).
https:///doi.org/10.1147/JRD.2018.2888987
[2] Yudong Cao, Jonathan Romero, Jonathan P Olson, Matthias Degroote, Peter D Johnson, Mária Kieferová, Ian D Kivlichan, Tim Menke, Borja Peropadre, Nicolas PD Sawaya, và những người khác. “Hóa học lượng tử trong thời đại điện toán lượng tử”. Đánh giá hóa học 119, 10856–10915 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.8b00803
[3] Alán Aspuru-Guzik, Anthony D Dutoi, Peter J Love, và Martin Head-Gordon. “Tính toán lượng tử mô phỏng của năng lượng phân tử”. Khoa học 309, 1704–1707 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1126 / khoa học.1113479
[4] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J Love, Alán Aspuru-Guzik và Jeremy L O'brien. “Một bộ giải giá trị riêng biến thiên trên bộ xử lý lượng tử quang tử”. Truyền thông tự nhiên 5, 1–7 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213
[5] Yigal Meir và Ned S Wingreen. “Công thức Landauer cho dòng điện chạy qua vùng electron tương tác”. Thư đánh giá vật lý 68, 2512 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.2512
[6] Frank Jensen. “Giới thiệu về hóa học tính toán”. John Wiley & các con trai. (2017).
[7] Thomas E O'Brien, Bruno Senjean, Ramiro Sagastizabal, Xavier Bonet-Monroig, Alicja Dutkiewicz, Francesco Buda, Leonardo DiCarlo và Lucas Visscher. “Tính toán đạo hàm năng lượng cho hóa học lượng tử trên máy tính lượng tử”. Thông tin lượng tử npj 5, 1–12 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0213-4
[8] Andris Ambainis. “Về các bài tập thể chất khó hơn qma một chút”. Vào năm 2014, Hội nghị lần thứ 29 của IEEE về Độ phức tạp tính toán (CCC). Trang 32–43. (2014).
https: / / doi.org/ 10.1109 / CCC.2014.12
[9] Sevag Gharibian và Justin Yirka. “Sự phức tạp của việc mô phỏng các phép đo cục bộ trên các hệ lượng tử”. Lượng tử 3, 189 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-09-30-189
[10] Sevag Gharibian, Stephen Piddock và Justin Yirka. “Các lớp phức tạp của Oracle và các phép đo cục bộ trên người Hamilton vật lý”. Trong Christophe Paul và Markus Bläser, biên tập viên, Hội nghị chuyên đề quốc tế lần thứ 37 về các khía cạnh lý thuyết của khoa học máy tính (STACS 2020). Tập 154 của Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs), trang 20:1–20:37. Dagstuhl, Đức (2020). Lâu đài Dagstuhl–Leibniz-Zentrum für Informatik.
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.STACS.2020.20
[11] David Poulin và Pawel Wocjan. “Chuẩn bị trạng thái cơ bản của hệ lượng tử nhiều vật thể trên máy tính lượng tử”. Thư đánh giá vật lý 102, 130503 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.130503
[12] Yimin Ge, Jordi Tura và J Ignacio Cirac. “Chuẩn bị trạng thái cơ bản nhanh hơn và ước tính năng lượng mặt đất có độ chính xác cao với ít qubit hơn”. Tạp chí Vật lý Toán 60, 022202 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5027484
[13] Lâm Lâm và Vu Đồng. “Chuẩn bị trạng thái cơ bản gần như tối ưu”. Lượng tử 4, 372 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-14-372
[14] Sam McArdle, Alexander Mayorov, Xiao Shan, Simon Benjamin và Xiao Yuan. “Mô phỏng lượng tử kỹ thuật số của các rung động phân tử”. Khoa học hóa học 10, 5725–5735 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1039 / C9SC01313J
[15] Jérôme F. Gonthier, Maxwell D. Radin, Corneliu Buda, Eric J. Doskocil, Clena M. Abuan và Jhonathan Romero. “Xác định những thách thức đối với lợi thế lượng tử thực tế thông qua ước tính tài nguyên: rào cản đo lường trong bộ giải riêng lượng tử biến phân” (2020). arXiv:2012.04001.
arXiv: 2012.04001
[16] Guoming Wang, Dax Enshan Koh, Peter D Johnson và Yudong Cao. “Giảm thiểu thời gian chạy ước tính trên máy tính lượng tử ồn ào”. PRX Lượng tử 2, 010346 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010346
[17] 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 đã sửa lỗi”. PRX Lượng tử 2, 010103 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010103
[18] Kyle EC Booth, Bryan O'Gorman, Jeffrey Marshall, Stuart Hadfield và Eleanor Rieffel. “Lập trình ràng buộc gia tốc lượng tử”. Lượng tử 5, 550 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-09-28-550
[19] Bá tước T Campbell. “Mô phỏng khả năng chịu lỗi ban đầu của mô hình hubbard”. Khoa học và Công nghệ Lượng tử 7, 015007 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1088/2058-9565 / ac3110
[20] Lâm Lâm và Vu Đồng. “Ước tính năng lượng trạng thái cơ bản giới hạn bởi Heisenberg cho các máy tính lượng tử chịu lỗi ban đầu”. PRX Quantum 3, 010318 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010318
[21] David Layden. “Lỗi chạy nước rút bậc nhất từ góc độ bậc hai”. vật lý. Mục sư Lett. 128, 210501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.210501
[22] Rolando D Somma. “Ước tính giá trị riêng lượng tử thông qua phân tích chuỗi thời gian”. Tạp chí Vật lý mới số 21, 123025 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab5c60
[23] Laura Clinton, Johannes Bausch, Joel Klassen và Toby Cubitt. “Ước tính pha của người dân Hamilton địa phương trên phần cứng nisq” (2021). arXiv:2110.13584.
arXiv: 2110.13584
[24] Patrick Rall. “Các thuật toán lượng tử kết hợp nhanh hơn để ước tính pha, năng lượng và biên độ”. Lượng tử 5, 566 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-10-19-566
[25] Dominic W Berry, Andrew M Childs, Richard Cleve, Robin Kothari và Rolando D Somma. “Mô phỏng động lực học Hamilton bằng chuỗi taylor rút gọn”. Thư rà soát vật chất 114, 090502 (2015). url: doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.090502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.090502
[26] Quang Hạo Low và Isaac L Chuang. “Mô phỏng Hamilton tối ưu bằng xử lý tín hiệu lượng tử”. Thư rà soát vật chất 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501
[27] Andrew M Childs, Dmitri Maslov, Yunseong Nam, Neil J Ross và Yuan Su. “Hướng tới mô phỏng lượng tử đầu tiên với tốc độ tăng tốc lượng tử”. Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia 115, 9456–9461 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1801723115
[28] Guang Hao Low và Isaac L Chuang. “Mô phỏng Hamilton bằng qubit hóa”. Lượng tử 3, 163 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-12-163
[29] Emanuel Knill, Gerardo Ortiz và Rolando D Somma. “Các phép đo lượng tử tối ưu của các giá trị kỳ vọng của các vật thể quan sát được”. Đánh giá vật lý A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328
[30] James D. Watson, Johannes Bausch và Sevag Gharibian. “Sự phức tạp của các vấn đề bất biến tịnh tiến vượt ra ngoài năng lượng ở trạng thái cơ bản” (2020). arXiv:2012.12717.
arXiv: 2012.12717
[31] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J Love, Alán Aspuru-Guzik và Jeremy L O'brien. “Một bộ giải giá trị riêng biến thiên trên bộ xử lý lượng tử quang tử”. Truyền thông tự nhiên 5, 1–7 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213
[32] Jarrod R McClean, Jonathan Romero, Ryan Babbush và Alán Aspuru-Guzik. “Lý thuyết về các thuật toán cổ điển lượng tử hỗn hợp biến phân”. Tạp chí Vật lý mới 18, 023023 (2016).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/2/023023
[33] Attila Szabo và Neil S Ostlund. “Hóa học lượng tử hiện đại: giới thiệu về lý thuyết cấu trúc điện tử tiên tiến”. Công ty chuyển phát nhanh. (2012).
[34] Sevag Gharibian và François Le Gall. “Dequantizing sự biến đổi giá trị kỳ dị lượng tử: Độ cứng và ứng dụng cho hóa học lượng tử và phỏng đoán pcp lượng tử”. Trong Kỷ yếu của Hội nghị chuyên đề ACM SIGACT thường niên lần thứ 54 về Lý thuyết máy tính. Trang 19–32. (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3519991
[35] Shantanav Chakraborty, András Gilyén, và Stacey Jeffery. “Sức mạnh của ma trận mã hóa khối: Kỹ thuật hồi quy được cải thiện thông qua mô phỏng Hamilton nhanh hơn”. Trong Christel Baier, Ioannis Chatzigiannakis, Paola Flocchini và Stefano Leonardi, các biên tập viên, Hội thảo quốc tế lần thứ 46 về Automata, Ngôn ngữ và Lập trình (ICALP 2019). Tập 132 của Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs), trang 33:1–33:14. Dagstuhl, Đức (2019). Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum cung cấp Informatik.
https: / / doi.org/ 10.4230 / LIPIcs.ICALP.2019.33
[36] András Gilyén, Yuan Su, Guang Hao Low và Nathan Wiebe. “Biến đổi giá trị kỳ dị lượng tử và hơn thế nữa: cải tiến theo cấp số nhân cho số học ma trận lượng tử”. Trong Kỷ yếu của Hội nghị chuyên đề ACM SIGACT hàng năm lần thứ 51 về Lý thuyết máy tính. Trang 193–204. (2019).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3313276.3316366
[37] Patrick Rall. “Các thuật toán lượng tử để ước tính các đại lượng vật lý bằng cách sử dụng mã hóa khối”. Đánh giá vật lý A 102, 022408 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.022408
[38] Yu Tong, Đông An, Nathan Wiebe và Lin Lin. “Đảo ngược nhanh, bộ giải hệ thống tuyến tính lượng tử có điều kiện trước, tính toán hàm xanh nhanh và đánh giá nhanh các hàm ma trận”. Đánh giá vật lý A 104, 032422 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.032422
[39] Julia E Rice, Tanvi P Gujarati, Mario Motta, Tyler Y Takeshita, Eunseok Lee, Joseph A Latone và Jeannette M Garcia. “Tính toán lượng tử của các sản phẩm chiếm ưu thế trong pin lithium-lưu huỳnh”. Tạp chí Vật lý Hóa học 154, 134115 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0044068
[40] Trygve Helgaker, Poul Jorgensen và Jeppe Olsen. “Lý thuyết cấu trúc điện tử phân tử”. John Wiley & các con trai. (2014).
https: / / doi.org/ 10.1002 / 9781119019572
[41] Jacob T Seeley, Martin J Richard và Peter J Love. “Biến đổi bravyi-kitaev cho tính toán lượng tử của cấu trúc điện tử”. Tạp chí vật lý hóa học 137, 224109 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4768229
[42] Aram W Harrow, Avinatan Hassidim và Seth Lloyd. “Thuật toán lượng tử cho hệ phương trình tuyến tính”. Thư đánh giá vật lý 103, 150502 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502
[43] Andrew M Childs, Robin Kothari và Rolando D Somma. “Thuật toán lượng tử cho các hệ phương trình tuyến tính với sự phụ thuộc vào độ chính xác được cải thiện theo cấp số nhân”. Tạp chí SIAM về Máy tính 46, 1920–1950 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 16M1087072
[44] Carlos Bravo-Prieto, Ryan LaRose, M. Cerezo, Yigit Subasi, Lukasz Cincio và Patrick J. Coles. “Bộ giải tuyến tính lượng tử biến phân” (2019). arXiv:1909.05820.
arXiv: 1909.05820
[45] Hsin-Yuan Huang, Kishor Bharti và Patrick Rebentrost. “Các thuật toán lượng tử ngắn hạn cho các hệ phương trình tuyến tính có hàm mất hồi quy”. Tạp chí Vật lý mới số 23, 113021 (2021).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/ac325f
[46] Yiğit Subaşı, Rolando D Somma và Davide Orsucci. “Các thuật toán lượng tử cho các hệ phương trình tuyến tính lấy cảm hứng từ điện toán lượng tử đoạn nhiệt”. Thư rà soát vật chất 122, 060504 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.060504
[47] Đông Ân và Lâm Lâm. “Bộ giải hệ thống tuyến tính lượng tử dựa trên tính toán lượng tử đoạn nhiệt tối ưu theo thời gian và thuật toán tối ưu hóa gần đúng lượng tử”. Giao dịch ACM trên Điện toán lượng tử 3 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3498331
[48] Lâm Lâm và Vu Đồng. “Lọc trạng thái riêng lượng tử dựa trên đa thức tối ưu với ứng dụng để giải các hệ tuyến tính lượng tử”. Lượng tử 4, 361 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-11-11-361
[49] Rolando D Somma và Sergio Boixo. “Khuếch đại khoảng cách quang phổ”. Tạp chí SIAM về Máy tính 42, 593–610 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 120871997
[50] Yosi Atia và Dorit Aharonov. “Chuyển tiếp nhanh người dân Hamilton và các phép đo chính xác theo cấp số nhân”. Truyền thông thiên nhiên 8, 1–9 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41467-017-01637-7
[51] Brielin Brown, Steven T Flammia và Norbert Schuch. “Khó khăn tính toán của việc tính toán mật độ của các trạng thái”. Thư rà soát vật chất 107, 040501 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.040501
[52] Stephen P Jordan, David Gosset và Peter J Love. “Các bài toán lượng tử-merlin-arthur-hoàn chỉnh cho ma trận Hamilton ngẫu nhiên và ma trận Markov”. Đánh giá vật lý A 81, 032331 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.032331
[53] Sevag Gharibian và Jamie Sikora. “Kết nối trạng thái cơ bản của người dân Hamilton địa phương”. ACM Trans. Máy tính. Lý thuyết 10 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3186587
[54] James D. Watson và Johannes Bausch. “Sự phức tạp của việc xấp xỉ các điểm tới hạn của quá trình chuyển pha lượng tử” (2021). arXiv:2105.13350.
arXiv: 2105.13350
Trích dẫn
[1] Pablo AM Casares, Roberto Campos và MA Martin-Delgado, “TFermion: Thư viện đánh giá chi phí không phải cổng Clifford của các thuật toán ước tính pha lượng tử cho hóa học lượng tử”, Lượng tử 6, 768 (2022).
[2] Yu Tong, “Thiết kế các thuật toán ước tính các đặc tính trạng thái cơ bản trên máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi sớm”, Lượt xem lượng tử 6, 65 (2022).
[3] Yulong Dong, Lin Lin và Yu Tong, “Chuẩn bị trạng thái cơ bản và ước tính năng lượng trên máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi sớm thông qua phép biến đổi giá trị riêng lượng tử của ma trận đơn nhất”, arXiv: 2204.05955.
[4] Peter D. Johnson, Alexander A. Kunitsa, Jérôme F. Gonthier, Maxwell D. Radin, Corneliu Buda, Eric J. Doskocil, Clena M. Abuan, và Jhonathan Romero, “Giảm chi phí ước tính năng lượng trong biến thể thuật toán lượng tử eigensolver với ước tính biên độ mạnh mẽ ”, arXiv: 2203.07275.
[5] Guoming Wang, Sukin Sim và Peter D. Johnson, “Các yếu tố hỗ trợ chuẩn bị trạng thái cho tính toán lượng tử có khả năng chịu lỗi sớm”, arXiv: 2202.06978.
Các trích dẫn trên là từ Dịch vụ trích dẫn của Crossref (cập nhật lần cuối thành công 2022-07-28 15:34:04) và SAO / NASA ADS (cập nhật lần cuối thành công 2022 / 07-28 15:34:05). 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.
Bài viết này được xuất bản trong Lượng tử dưới Creative Commons Ghi công 4.0 Quốc tế (CC BY 4.0) giấy phép. Bản quyền vẫn thuộc về chủ sở hữu bản quyền gốc như các tác giả hoặc tổ chức của họ.
