Tính toán lượng tử có khả năng chịu lỗi của các phân tử có thể quan sát được

Tính toán lượng tử có khả năng chịu lỗi của các phân tử có thể quan sát được

Dấu thời gian: Ngày 6 tháng 2023 năm 7 23:XNUMX sáng

Mark Steudtner1, Sam Morley-ngắn1, William Pol1, Sukin Sim1, Cristian L. Cortes2, Matthias Loipersberger2, Robert M. Parrish2, Matthias Degroot3, Nikolaj Moll3, Raffaele Santagati3và Michael Streif3

1PsiQuantum, 700 Hansen Way, Palo Alto, CA 94304, Hoa Kỳ
2Tập đoàn QC Ware, Palo Alto, CA 94306, Hoa Kỳ
3Phòng thí nghiệm lượng tử, Boehringer Ingelheim, 55218 Ingelheim am Rhein, Đức

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

Tóm tắt

Trong ba thập kỷ qua, chi phí ước tính năng lượng ở trạng thái cơ bản của người Hamilton phân tử bằng máy tính lượng tử đã giảm đáng kể. Tuy nhiên, người ta tương đối ít chú ý đến việc ước tính giá trị kỳ vọng của các vật thể quan sát khác đối với các trạng thái cơ bản nói trên, điều này rất quan trọng đối với nhiều ứng dụng công nghiệp. Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày một thuật toán lượng tử ước tính giá trị kỳ vọng (EVE) mới có thể được áp dụng để ước tính các giá trị kỳ vọng của các vật thể quan sát tùy ý đối với bất kỳ trạng thái riêng nào của hệ thống. Cụ thể, chúng tôi xem xét hai biến thể của EVE: std-EVE, dựa trên ước tính pha lượng tử tiêu chuẩn và QSP-EVE, sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu lượng tử (QSP). Chúng tôi cung cấp phân tích lỗi nghiêm ngặt cho cả hai biến thể và giảm thiểu số lượng hệ số pha riêng lẻ cho QSPEVE. Những phân tích lỗi này cho phép chúng tôi tạo ra các ước tính tài nguyên lượng tử có hệ số không đổi cho cả std-EVE và QSP-EVE trên nhiều hệ thống phân tử và vật thể quan sát được. Đối với các hệ thống được xem xét, chúng tôi cho thấy rằng QSP-EVE giảm số lượng cổng (Toffoli) lên tới ba bậc độ lớn và giảm độ rộng qubit tới 25% so với std-EVE. Mặc dù số lượng tài nguyên ước tính vẫn còn quá cao đối với các thế hệ máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi đầu tiên, nhưng ước tính của chúng tôi đánh dấu lần đầu tiên loại tài nguyên này được áp dụng cho cả ứng dụng ước tính giá trị kỳ vọng và các kỹ thuật dựa trên QSP hiện đại.

Tính toán lượng tử có khả năng chịu lỗi của các phân tử có thể quan sát được PlatoBlockchain Data Intelligence. Tìm kiếm dọc. Ái.

► Dữ liệu BibTeX

► Tài liệu tham khảo

[1] David Poulin, Matthew B. Hastings, Dave Wecker, Nathan Wiebe, Andrew C. Doberty và Matthias Troyer. “Kích thước bước chạy nước rút cần thiết để mô phỏng lượng tử chính xác của hóa học lượng tử”. Thông tin lượng tử. Máy tính. 15, 361–384 (2015).
https: / / doi.org/ 10.5555 / 2871401.2871402

[2] Markus Reiher, Nathan Wiebe, Krysta M. Svore, Dave Wecker và Matthias Troyer. “Làm sáng tỏ cơ chế phản ứng trên máy tính lượng tử”. Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia 114, 7555–7560 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1619152114

[3] Ryan Babbush, Craig Gidney, Dominic W Berry, Nathan Wiebe, Jarrod McClean, Alexandru Paler, Austin Fowler và Hartmut Neven. “Mã hóa quang phổ điện tử trong mạch lượng tử có độ phức tạp T tuyến tính”. Đánh giá vật lý X 8, 041015 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[4] 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”. Lượng tử 3, 208 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-12-02-208

[5] Joonho Lee, Dominic W. Berry, Craig Gidney, William J. Huggins, Jarrod R. McClean, Nathan Wiebe và Ryan Babbush. “Tính toán lượng tử hóa học thậm chí còn hiệu quả hơn thông qua siêu co rút tensor”. PRX Quantum 2, 030305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030305

[6] Yuan Su, Dominic W. Berry, Nathan Wiebe, Nicholas Rubin và Ryan Babbush. “Mô phỏng lượng tử chịu lỗi của hóa học trong lần lượng tử hóa đầu tiên”. PRX Quantum 2, 040332 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040332

[7] Isaac H. Kim, Ye-Hua Liu, Sam Pallister, William Pol, Sam Roberts và Eunseok Lee. “Ước tính tài nguyên có khả năng chịu lỗi cho mô phỏng hóa học lượng tử: Nghiên cứu trường hợp về các phân tử điện phân pin li-ion”. Vật lý. Nghiên cứu Rev. 4, 023019 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.023019

[8] Alain Delgado, Pablo AM Casares, Roberto dos Reis, Modjtaba Shokrian Zini, Roberto Campos, Norge Cruz-Hernández, Arne-Christian Voigt, Angus Lowe, Soran Jahangiri, MA Martin-Delgado, Jonathan E. Mueller và Juan Miguel Arrazola. “Mô phỏng các đặc tính chính của pin lithium-ion bằng máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi”. Vật lý. Mục sư A 106, 032428 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.106.032428

[9] Vera von Burg, Quang Hao Low, Thomas Häner, Damian S. Steiger, Markus Reiher, Martin Roetteler và Matthias Troyer. “Điện toán lượng tử tăng cường xúc tác tính toán”. Vật lý. Mục sư Res. 3, 033055 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.033055

[10] Joshua J. Goings, Alec White, Joonho Lee, Christofer S. Tautermann, Matthias Degroote, Craig Gidney, Toru Shiozaki, Ryan Babbush và Nicholas C. Rubin. “Đánh giá một cách đáng tin cậy cấu trúc điện tử của cytochrome p450 trên máy tính cổ điển ngày nay và máy tính lượng tử ngày mai”. Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia 119, e2203533119 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.2203533119

[11] Thomas E O'Brien, Michael Streif, Nicholas C Rubin, Raffaele Santagati, Yuan Su, William J Huggins, Joshua J Goings, Nikolaj Moll, Elica Kyoseva, Matthias Degroote, và những người khác. “Tính toán lượng tử hiệu quả của lực phân tử và các gradient năng lượng khác”. Vật lý. Mục sư Res. 4, 043210 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.043210

[12] Christopher J Cramer. “Các yếu tố cần thiết của hóa học tính toán: lý thuyết và mô hình”. John Wiley & Con trai. (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] Raffaele Santagati, Alan Aspuru-Guzik, Ryan Babbush, Matthias Degroote, Leticia Gonzalez, Elica Kyoseva, Nikolaj Moll, Markus Oppel, Robert M. Parrish, Nicholas C. Rubin, Michael Streif, Christofer S. Tautermann, Horst Weiss, Nathan Wiebe, và Clemens Utschig-Utschig. “Thiết kế thuốc trên máy tính lượng tử” (2023). arXiv:2301.04114.
arXiv: 2301.04114

[14] Clifford W Fong. “Tính thấm của hàng rào máu não: cơ chế phân tử vận ​​chuyển thuốc và các hợp chất quan trọng về mặt sinh lý”. Tạp chí sinh học màng 248, 651–669 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00232-015-9778-9

[15] 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

[16] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca và Alain Tapp. “Khuếch đại và ước tính biên độ lượng tử”. Toán học đương đại 305, 53–74 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1090 / conm / 305/05215

[17] A. Yu. Kitaev. “Các phép đo lượng tử và vấn đề ổn định Abelian” (1995). arXiv:quant-ph/​9511026.
arXiv: quant-ph / 9511026

[18] David Poulin và Pawel Wocjan. “Chuẩn bị trạng thái cơ bản của hệ thống nhiều vật thể lượng tử trên máy tính lượng tử”. Thư đánh giá vật lý 102, 130503 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / Physrevlett.102.130503

[19] David Poulin, Alexei Kitaev, Damian S. Steiger, Matthew B. Hastings và Matthias Troyer. “Thuật toán lượng tử để đo quang phổ với số cổng thấp hơn”. Vật lý. Linh mục Lett. 121, 010501 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.010501

[20] 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

[21] 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

[22] Ruizhe Zhang, Guoming Wang và Peter Johnson. “Tính toán các thuộc tính trạng thái cơ bản với máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi sớm”. Lượng tử 6, 761 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-07-11-761

[23] 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”. Vật lý. Linh mục A 75, 012328 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.012328

[24] András Gilyén, Yuan Su, Quang Hạo Low và Nathan Wiebe. “Biến đổi giá trị lượng tử số ít 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 thường niên lần thứ 51 về Lý thuyết máy tính. ACM (2019).

[25] Patrick Rall. “Thuật toán lượng tử để ước tính số lượng vật lý bằng cách sử dụng mã hóa khối”. vật lý. Rev. A 102, 022408 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.022408

[26] William J. Huggins, Kianna Wan, Jarrod McClean, Thomas E. O'Brien, Nathan Wiebe và Ryan Babbush. “Thuật toán lượng tử gần như tối ưu để ước tính nhiều giá trị kỳ vọng”. Vật lý. Linh mục Lett. 129, 240501 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.240501

[27] Arjan Cornelissen, Yassine Hamoudi và Sofiene Jerbi. “Các thuật toán lượng tử gần tối ưu để ước tính giá trị trung bình đa biến”. Trong Kỷ yếu của Hội nghị chuyên đề ACM SIGACT thường niên lần thứ 54 về Lý thuyết máy tính. Trang 33–43. STOC 2022New York, NY, Hoa Kỳ (2022). Hiệp hội máy tính máy tính
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3519935.3520045

[28] Guang Hao Low và Isaac L. Chuang. “Mô phỏng Hamilton tối ưu bằng xử lý tín hiệu lượng tử”. vật lý. Mục sư Lett. 118, 010501 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501

[29] Patrick Rall. “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

[30] John M. Martyn, Zane M. Rossi, Andrew K. Tan và Isaac L. Chuang. “Sự thống nhất lớn của các thuật toán lượng tử”. PRX Quantum 2, 040203 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040203

[31] Wim van Dam, G. Mauro D'Ariano, Artur Ekert, Chiara Macchiavello và Michele Mosca. “Mạch lượng tử tối ưu để ước tính pha chung”. Vật lý. Linh mục Lett. 98, 090501 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.090501

[32] Gumaro Rendon, Taku Izubuchi và Yuta Kikuchi. “Ảnh hưởng của cửa sổ giảm dần cosine đến ước tính pha lượng tử”. Vật lý. Mục sư D 106, 034503 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.106.034503

[33] Kosuke Mitarai, Kiichiro Toyoizumi và Wataru Mizukami. “Lý thuyết nhiễu loạn với xử lý tín hiệu lượng tử”. Lượng tử 7, 1000 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-05-12-1000

[34] Dominic W. Berry, Mária Kieferová, Artur Scherer, Yuval R. Sanders, Quang Hao Low, Nathan Wiebe, Craig Gidney và Ryan Babbush. “Các kỹ thuật được cải tiến để chuẩn bị các trạng thái riêng của Hamiltonian fermionic”. Thông tin lượng tử npj 4, 22 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-018-0071-5

[35] Guang Hao Low và Isaac L. Chuang. “Mô phỏng Hamilton bằng Qubitization”. Lượng tử 3, 163 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-07-12-163

[36] Yulong Dong, Lin Lin và Yu Tong. “Chuẩn bị trạng thái cơ bản và ước tính năng lượng trên các máy tính lượng tử sớm có khả năng chịu lỗi thông qua chuyển đổi giá trị riêng lượng tử của các ma trận đơn nhất”. PRX Quantum 3, 040305 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.040305

[37] 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

[38] Richard Cleve, Artur Ekert, Chiara Macchiavello và Michele Mosca. “Xem lại các thuật toán lượng tử”. Kỷ yếu của Hiệp hội Hoàng gia Luân Đôn. Series A: Khoa học Toán học, Vật lý và Kỹ thuật 454, 339–354 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.1998.0164

[39] Craig Gidney. “Giảm một nửa chi phí bổ sung lượng tử”. Lượng tử 2, 74 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-06-18-74

[40] Jiasu Wang, Yulong Dong và Lin Lin. “Về bối cảnh năng lượng của quá trình xử lý tín hiệu lượng tử đối xứng”. Lượng tử 6, 850 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-11-03-850

[41] Quảng Hạo Hạ. “Xử lý tín hiệu lượng tử bằng động lực học qubit đơn”. luận án tiến sĩ. Viện Công nghệ Massachusetts. (2017).

[42] Yulong Dong, Xiang Meng, K. Birgitta Whaley và Lin Lin. “Đánh giá hệ số pha hiệu quả trong xử lý tín hiệu lượng tử”. Đánh giá vật lý A 103, 042419 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / Physreva.103.042419

[43] Yulong Dong, Lin Lin, Hongkang Ni và Jiasu Wang. “Xử lý tín hiệu lượng tử vô hạn” (2022). arXiv:2209.10162.
arXiv: 2209.10162

[44] Diptarka Hait và Martin Head-Gordon. “Lý thuyết hàm mật độ có độ chính xác như thế nào trong việc dự đoán mômen lưỡng cực? Đánh giá sử dụng cơ sở dữ liệu mới gồm 200 giá trị chuẩn”. Tạp chí Lý thuyết và Tính toán Hóa học 14, 1969–1981 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.7b01252

[45] Qiming Sun, Xing Zhang, Samragni Banerjee, Peng Bao, Marc Barbry, Nick S. Blunt, Nikolay A. Bogdanov, George H. Booth, Jia Chen, Zhi-Hao Cui, Janus J. Eriksen, Yang Gao, Sheng Guo, Jan Hermann, Matthew R. Hermes, Kevin Koh, Peter Koval, Susi Lehtola, Zhendong Li, Junzi Liu, Narbe Mardirossian, James D. McClain, Mario Motta, Bastien Mussard, Hung Q. Pham, Artem Pulkin, Wirawan Purwanto, Paul J. Robinson, Enrico Ronca, Elvira R. Sayfutyarova, Maximilian Scheurer, Henry F. Schurkus, James ET Smith, Chong Sun, Shi-Ning Sun, Shiv Upadhyay, Lucas K. Wagner, Xiao Wang, Alec White, James Daniel Whitfield, Mark J . Williamson, Sebastian Wouters, Jun Yang, Jason M. Yu, Tianyu Zhu, Timothy C. Berkelbach, Sandeep Sharma, Alexander Yu. Sokolov và Garnet Kin-Lic Chan. “Những phát triển gần đây trong gói chương trình PySCF”. Tạp chí Vật lý Hóa học 153, 024109 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0006074

[46] Qiming Sun, Timothy C. Berkelbach, Nick S. Blunt, George H. Booth, Sheng Guo, Zhendong Li, Junzi Liu, James D. McClain, Elvira R. Sayfutyarova, Sandeep Sharma, Sebastian Wouters và Garnet Kin-Lic Chan. “Pyscf: mô phỏng khung hóa học dựa trên python”. Khoa học phân tử tính toán WIREs 8, e1340 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1002 / wcms.1340

[47] Huanchen Zhai và Garnet Kin-Lic Chan. “Thuật toán nhóm tái chuẩn hóa ma trận mật độ ban đầu hiệu suất cao và truyền thông thấp”. J. Chem. Vật lý. 154, 224116 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0050902

[48] Dominik Marx và Jurg Hutter. “Động lực học phân tử ban đầu: Lý thuyết và thực hiện”. Các phương pháp và thuật toán hiện đại của hóa học lượng tử 1, 141 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511609633

[49] JC Slater. “Cấu trúc virus và phân tử”. Tạp chí Vật lý Hóa học 1, 687–691 (1933).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1749227

[50] Jeffrey Cohn, Mario Motta và Robert M. Parrish. “Chéo chéo hóa bộ lọc lượng tử với hamiltonian nhân tố kép được nén”. PRX Quantum 2, 040352 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040352

[51] Quang Hạo Low, Vadym Kliuchnikov và Luke Schaeffer. “Giao dịch cổng T để lấy qubit bẩn trong quá trình chuẩn bị trạng thái và tổng hợp đơn nhất” (2018). arXiv:1812.00954.
arXiv: 1812.00954

Trích dẫn

[1] Ignacio Loaiza và Artur F. Izmaylov, “Sự thay đổi đối xứng bất biến khối: Kỹ thuật tiền xử lý cho những người Hamilton lượng tử hóa thứ hai để cải thiện sự phân rã của họ thành sự kết hợp tuyến tính của các đơn vị”, Tạp chí Lý thuyết và Tính toán Hóa học acs.jctc.3c00912 (2023).

[2] Alexander M. Dalzell, Sam McArdle, Mario Berta, Przemyslaw Bienias, Chi-Fang Chen, András Gilyén, Connor T. Hann, Michael J. Kastoryano, Emil T. Khabiboulline, Aleksander Kubica, Grant Salton, Samson Wang, và Fernando GSL Brandão, “Thuật toán lượng tử: Khảo sát về các ứng dụng và độ phức tạp từ đầu đến cuối”, arXiv: 2310.03011, (2023).

[3] Cristian L. Cortes, Matthias Loipersberger, Robert M. Parrish, Sam Morley-Short, William Pol, Sukin Sim, Mark Steudtner, Christofer S. Tautermann, Matthias Degroote, Nikolaj Moll, Raffaele Santagati và Michael Streif, “Lỗi thuật toán lượng tử dung sai cho lý thuyết nhiễu loạn thích ứng đối xứng”, arXiv: 2305.07009, (2023).

[4] Sophia Simon, Raffaele Santagati, Matthias Degroote, Nikolaj Moll, Michael Streif và Nathan Wiebe, “Cải thiện tỷ lệ chính xác để mô phỏng động lực học cổ điển lượng tử kết hợp”, arXiv: 2307.13033, (2023).

[5] Ignacio Loaiza và Artur F. Izmaylov, “Sự thay đổi đối xứng bất biến khối: Kỹ thuật tiền xử lý cho những người Hamilton được lượng tử hóa thứ hai để cải thiện khả năng phân rã của chúng thành Tổ hợp tuyến tính của các đơn vị”, arXiv: 2304.13772, (2023).

Các trích dẫn trên là từ Dịch vụ trích dẫn của Crossref (cập nhật lần cuối thành công 2023-11-13 12:50:11) và SAO / NASA ADS (cập nhật lần cuối thành công 2023 / 11-13 12:50:12). 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.

Dấu thời gian:

Thêm từ Tạp chí lượng tử