变分量子动力学的开销约束电路编织

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物理研究所，École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)，CH-1015 洛桑，瑞士
洛桑联邦理工学院 (EPFL) 量子科学与工程中心，瑞士洛桑 CH-1015

抽象

为了更深入地了解量子力学现象，模拟大型量子系统的动力学是一项艰巨但至关重要的追求。尽管量子计算机在加速此类模拟方面有着巨大的希望，但其实际应用仍然受到有限规模和普遍噪声的阻碍。在这项工作中，我们提出了一种解决这些挑战的方法，通过采用电路编织将大型量子系统划分为较小的子系统，每个子系统都可以在单独的设备上进行模拟。系统的演化由投影变分量子动力学（PVQD）算法控制，并辅以对变分量子电路参数的约束，确保电路编织方案所施加的采样开销保持可控。我们在具有多个弱纠缠块的量子自旋系统上测试我们的方法，每个弱纠缠块由强相关自旋组成，我们能够准确地模拟动力学，同时保持采样开销可控。此外，我们还表明，可以使用相同的方法通过切割远程栅极来减少电路深度。

特色图片：我们通过时间步长 $Delta t$ 演化状态 $|psi(varphi_{t-1})rangle$，同时保持 ansatz 的结构固定。这是通过优化变分参数 $varphi$ 来实现的，使得演化状态 $e^{-iHDelta t}|psi(varphi_{t-1})rangle$ 和 ansatz $|psi(varphi)rangle$ 之间的保真度被最大化。为了测量量子设备的保真度，我们使用电路编织将全局量子电路切割成子电路。这是以采样开销 $omega(varphi)$ 为代价的，该开销取决于变分参数。为了控制开销，我们在每个优化步骤之后将参数投影回子空间，其中 $omega(varphi) leq tau$ 为某个阈值 $tau$。

►BibTeX数据

@文章{Gentinetta2024开销受限， doi = {10.22331/q-2024-03-21-1296}，网址 = {https://doi.org/10.22331/q-2024-03-21-1296}， title = {变分量子动力学的开销约束电路编织}，作者 = {Gentinetta、Gian 和 Metz、Friederike 和 Carleo、Giuseppe}，期刊 = {{量子}}, issn = {2521-327X}，出版商 = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}，音量={8}，页数 = {1296}，月 = 三月，年 = {2024} }

►参考

[1] 理查德·P·费曼。 “用计算机模拟物理”。国际理论物理学杂志 21, 467–488 (1982)。
https：/ / doi.org/ 10.1007 / BF02650179

[2] Abhinav Kandala、Antonio Mezzacapo、Kristan Temme、Maika Takita、Markus Brink、Jerry M. Chow 和 Jay M. Gambetta。 “用于小分子和量子磁体的硬件高效变分量子本征求解器”。自然 549, 242–246 (2017)。
https：/ / doi.org/10.1038/nature23879

[3] A. Chiesa、F. Tacchino、M. Grossi、P. Santini、I. Tavernelli、D. Gerace 和 S. Carretta。 “模拟四维非弹性中子散射的量子硬件”。自然物理学 15, 455–459 (2019)。
https://doi.org/10.1038/s41567-019-0437-4

[4] 弗兰克·阿鲁特等人。 “哈特里福克在超导量子位量子计算机上”。科学 369, 1084–1089 (2020)。
https：/ / doi.org/ 10.1126 / science.abb9811

[5] 弗兰克·阿鲁特等人。 “费米-哈伯德模型中电荷和自旋分离动力学的观察”（2020）。 arXiv：2010.07965。
的arXiv：2010.07965

[6] C.尼尔等人。 “准确计算量子环的电子特性”。自然 594, 508–512 (2021)。
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03576-2

[7] J.Zhang、G.Pagano、PWHess、A.Kyprianidis、P.Becker、H.Kaplan、AVGorshkov、ZXGong 和 C.Monroe。 “使用 53 量子位量子模拟器观察多体动态相变”。自然 551, 601–604 (2017)。
https：/ / doi.org/10.1038/nature24654

[8] James Dborin、Vinul Wimalawera、F. Barratt、Eric Ostby、Thomas E. O'Brien 和 AG Green。 “在超导量子计算机上模拟基态和动态量子相变”。自然通讯 13, 5977 (2022)。
https://doi.org/10.1038/s41467-022-33737-4

[9] Sepehr Ebadi、Tout T. Wang、Harry Levine、Alexander Keesling、Giulia Semeghini、Ahmed Omran、Dolev Bluvstein、Rhine Samajdar、Hannes Pichler、Wen Wei Ho、Soonwon Choi、Subir Sachdev、Markus Greiner、Vladan Vuletić 和 Mikhail D. Lukin 。 “256 个原子可编程量子模拟器上的物质量子相”。自然 595, 227–232 (2021)。
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03582-4

[10] 埃胡德·奥特曼。 “多体局域化和量子热化”。自然物理学 14, 979–983 (2018)。
https://doi.org/10.1038/s41567-018-0305-7

[11] Wibe A. de Jong、Kyle Lee、James Mulligan、Mateusz Płoskoń、Felix Ringer 和姚晓军。 “施温格模型中非平衡动力学和热化的量子模拟”。物理。修订版 D 106, 054508 (2022)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.106.054508

[12] Youngseok Kim、Andrew Eddins、Sajant Anand、Ken Xun Wei、Ewout van den Berg、Sami Rosenblatt、Hasan Nayfeh、Yantao Wu、Michael Zaletel、Kristan Temme 和 Abhinav Kandala。 “在容错之前量子计算的实用性的证据”。自然 618, 500–505 (2023)。
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06096-3

[13] Andrew M. Childs、Dmitri Maslov、Yunseong Nam、Neil J. Ross 和 Yuan Su。 “迈向第一个具有量子加速的量子模拟”。美国国家科学院院刊 115, 9456–9461 (2018)。
https：/ / doi.org/ 10.1073 / pnas.1801723115

[14] Ryan Babbush、Craig Gidney、Dominic W. Berry、Nathan Wiebe、Jarrod McClean、Alexandru Paler、Austin Fowler 和 Hartmut Neven。 “以线性 t 复杂度对量子电路中的电子光谱进行编码”。物理。修订版 X 8, 041015 (2018)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.041015

[15] 南云城和德米特里·马斯洛夫。 “用于解决哈密尔顿动力学模拟问题的经典棘手实例的低成本量子电路”。 npj 量子信息 5, 44 (2019)。
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0152-0

[16] Mario Motta、Erika Ye、Jarrod R. McClean、Zhendong Li、Austin J. Minnich、Ryan Babbush 和 Garnet Kin-Lic Chan。 “电子结构量子模拟的低阶表示”。 npj 量子信息 7, 83 (2021)。
https：/ / doi.org/ 10.1038 / s41534-021-00416-z

[17] 杰·甘贝塔. “扩展 IBM 量子路线图以预测以量子为中心的超级计算的未来”。网址：https://research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap-2025。
https://research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap-2025

[18] 约翰·普雷斯基尔。 “NISQ 时代及以后的量子计算”。量子 2, 79 (2018)。
https://doi.org/10.22331/q-2018-08-06-79

[19] 谢尔盖·布拉维、格雷姆·史密斯和约翰·A·斯莫林。 “交易经典和量子计算资源”。物理。修订版 X 6, 021043 (2016)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.021043

[20] Tianyi Peng、Aram W. Harrow、Maris Ozols 和 Xiaodi Wu。 “在小型量子计算机上模拟大型量子电路”。物理。牧师莱特。 125、150504（2020 年）。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.150504

[21] 御手洗浩介和藤井圭介。 “通过采样单量子位操作构建虚拟的双量子位门”。新物理学杂志 23, 023021 (2021)。
https：/ / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / abd7bc

[22] 御手洗浩介和藤井圭介。 “通过准概率采样用本地通道模拟非本地通道的开销”。量子 5, 388 (2021)。
https://doi.org/10.22331/q-2021-01-28-388

[23] 克里斯托夫·皮维托和大卫·萨特。 “循环编织与经典交流”。 IEEE 信息论汇刊第 1-1 页 (2024)。
https：///doi.org/10.1109/tit.2023.3310797

[24] 卓凡和杰全林。 “量子自旋系统的簇密度矩阵嵌入理论”。物理。修订版 B 91, 195118 (2015)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.91.195118

[25] 克拉斯·冈斯特、塞巴斯蒂安·沃特斯、斯蒂因·德·贝尔德马克和迪米特里·范·内克。 “强相关自旋系统的块积密度矩阵嵌入理论”。物理。修订版 B 95, 195127 (2017)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.95.195127

[26] 山崎武、松浦俊二、阿里·纳里马尼、阿努谢冯·赛德穆拉多夫和阿尔曼·扎里巴菲扬。 “迈向近期量子计算机在量子化学模拟中的实际应用：问题分解方法”（2018）。 arXiv：1806.01305。
的arXiv：1806.01305

[27] 马克斯·罗斯曼内克 (Max Rossmannek)，帕纳吉奥蒂斯 (Panagiotis) Kl。 Barkoutsos、Pauline J. Ollitrault 和 Ivano Tavernelli。 “用于电子结构计算的量子 HF/DFT 嵌入算法：扩展到复杂的分子系统”。化学物理杂志 154, 114105 (2021)。
https：/ / doi.org/10.1063/ 5.0029536

[28] 安德鲁·埃丁斯、马里奥·莫塔、坦维·P·古吉拉特、谢尔盖·布拉维、安东尼奥·梅扎卡波、查尔斯·哈德菲尔德和莎拉·谢尔顿。 “通过纠缠锻造使量子模拟器的尺寸加倍”。 PRX 量子 3, 010309 (2022)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010309

[29] 帕特里克·胡姆贝利、朱塞佩·卡莱奥和安东尼奥·梅扎卡波。 “使用生成神经网络模型进行纠缠锻造”（2022）。 arXiv：2205.00933。
的arXiv：2205.00933

[30] Paulin de Schoulepnikoff、Oriel Kiss、Sofia Vallecorsa、Giuseppe Carleo 和 Michele Grossi。 “基于神经薛定谔锻造的混合基态量子算法”（2023）。 arXiv：2307.02633。
的arXiv：2307.02633

[31] 阿比盖尔·麦克莱恩·戈麦斯、泰勒·L·帕蒂、阿尼玛·阿南德库玛和苏珊娜·F·耶琳。 “使用平均场校正和辅助量子位的近期分布式量子计算”（2023）。 arXiv：2309.05693。
的arXiv：2309.05693

[32] 斯特凡诺·巴里森、菲利波·维琴蒂尼和朱塞佩·卡莱奥。 “在量子电路中嵌入经典变分方法”（2023）。 arXiv：2309.08666。
的arXiv：2309.08666

[33] 肖元、孙金照、刘俊宇、赵启、周游。 “混合张量网络的量子模拟”。物理。牧师莱特。 127, 040501 (2021)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.040501

[34] 孙金兆、远藤胜、林惠平、帕特里克·海登、弗拉特科·维德拉和肖远。 “微扰量子模拟”。物理。莱特牧师。 129, 120505 (2022)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.120505

[35] J. Eisert、M. Cramer 和 MB Plenio。 “座谈会：纠缠熵的面积定律”。修订版模组。物理。 82, 277–306 (2010)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.82.277

[36] 乌尔里希·绍尔沃克。 “矩阵乘积态时代的密度矩阵重整化群”。物理学年鉴 326, 96–192 (2011)。
https：/ / doi.org/ 10.1016 / j.aop.2010.09.012

[37] Jin-Guo Liu、Yi-Hong Zhang、Yuan Wan 和 Lei Wang。 “具有更少量子比特的变分量子本征求解器”。物理。牧师水库1, 023025 (2019).
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.1.023025

[38] Sam McArdle、Suguru Endo、Alán Aspuru-Guzik、Simon C. Benjamin 和 Xiao Yuan。 “量子计算化学”。牧师国防部。物理。 92, 015003 (2020)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.015003

[39] G. Kotliar、SY Savrasov、K. Haule、VS Oudovenko、O. Parcollet 和 CA Marianetti。 “用动态平均场理论进行电子结构计算”。现代物理学评论 78, 865–951 (2006)。
https：///doi.org/10.1103/revmodphys.78.865

[40] 孙启明和 Garnet Kin-Lic Chan。 “量子嵌入理论”。化学研究报告 49, 2705–2712 (2016)。
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.6b00356

[41] 斯特凡诺·巴里森、菲利波·维琴蒂尼和朱塞佩·卡莱奥。 “一种用于参数化电路时间演化的有效量子算法”。量子 5, 512 (2021)。
https://doi.org/10.22331/q-2021-07-28-512

[42] 帕姆·狄拉克. “关于托马斯原子中交换现象的注释”。剑桥哲学会数学会刊 26, 376–385 (1930)。
https：/ / doi.org/ 10.1017 / S0305004100016108

[43] 雅各夫·弗伦克尔. “波力学：高级一般理论”。伦敦：牛津大学出版社。（1934）。
https：/ / doi.org/ 10.1017 / s0025557200203604

[44] AD麦克拉克伦。 “瞬态薛定谔方程的变分解”。分子物理学 8, 39–44 (1964)。
https：/ / doi.org/10.1080/ 00268976400100041

[45] Xiao Yuan、Suguru Endo、Qi Zhao、Ying Li 和 Simon C. Benjamin。 “变分量子模拟理论”。量子 3, 191 (2019)。
https://doi.org/10.22331/q-2019-10-07-191

[46] 朱利安·加孔、詹尼斯·尼斯、里卡多·罗西、斯特凡·沃尔纳和朱塞佩·卡莱奥。 “没有量子几何张量的变分量子时间演化”。物理评论研究 6 (2024)。
https：///doi.org/10.1103/physrevresearch.6.013143

[47] R. Cleve、A. Ekert、C. Macchiavello 和 M. Mosca。 “重新审视量子算法”。伦敦皇家学会会刊。 A 系列：数学、物理和工程科学 454, 339–354 (1998)。
https：/ / doi.org/ 10.1098 / rspa.1998.0164

[48] Vojtěch Havlíček、Antonio D. Córcoles、Kristan Temme、Aram W. Harrow、Abhinav Kandala、Jerry M. Chow 和 Jay M. Gambetta。 “具有量子增强特征空间的监督学习”。自然 567, 209–212 (2019)。
https://doi.org/10.1038/s41586-019-0980-2

[49] M. Cerezo、Akira Sone、Tyler Volkoff、Lukasz Cincio 和 Patrick J. Coles。 “浅参数化量子电路中成本函数相关的贫瘠高原”。自然通讯 12, 1791 (2021)。
https：/ / doi.org/ 10.1038 / s41467-021-21728-w

[50] 托比亚斯·豪格和金女士。 “没有贫瘠高原的变分量子算法的优化训练”（2021）。 arXiv：2104.14543。
的arXiv：2104.14543

[51] 卢卡斯·施密特、克里斯托夫·皮维托和大卫·萨特。 “用多个二量子位酉切割电路”（2023）。 arXiv：2312.11638。
的arXiv：2312.11638

[52] Christian Ufrecht、Laura S. Herzog、Daniel D. Scherer、Maniraman Periyasamy、Sebastian Rietsch、Axel Plinge 和 Christopher Mutschler。 “两个量子位旋转门的最佳联合切割”（2023）。 arXiv：2312.09679。
的arXiv：2312.09679

[53] 迪德里克·P·金马 (Diederik P. Kingma) 和吉米·巴 (Jimmy Ba)。 “Adam：一种随机优化方法”（2017）。 arXiv：1412.6980。
的arXiv：1412.6980

[54] Michael A. Nielsen 和 Isaac L. Chuang。 “量子计算与量子信息：10 周年纪念版”。剑桥大学出版社。（2010）。
https：/ / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[55] 萨詹特·阿南德、克里斯坦·特梅、阿比纳夫·坎达拉和迈克尔·扎莱特尔。 “超出精确验证范围的零噪声外推的经典基准测试”（2023）。 arXiv：2306.17839。
的arXiv：2306.17839

[56] Alberto Peruzzo、Jarrod McClean、Peter Shadbolt、Man-Hong Yung、Xiao-Qi Zhou、Peter J. Love、Alán Aspuru-Guzik 和 Jeremy L. O'Brien。 “光子量子处理器上的变分特征值求解器”。自然通讯 5, 4213 (2014)。
https：///doi.org/10.1038/ncomms5213

[57] Tuhin Khare、Ritajit Majumdar、Rajiv Sangle、Anupama Ray、Padmanabha Venkatagiri Seshadri 和 Yogesh Simmhan。 “并行化量子经典工作负载：分析分裂技术的影响”（2023）。 arXiv：2305.06585。
的arXiv：2305.06585

[58] 塞巴斯蒂安·布兰德霍夫、伊利亚·波利安和凯文·克鲁苏利奇。 “使用门切割和线切割对量子电路进行优化划分”（2023）。 arXiv：2308.09567。
的arXiv：2308.09567

[59] 丹尼尔·科莫、马塞洛·卡莱菲和安吉拉·萨拉·卡恰普蒂。 “迈向分布式量子计算生态系统”。 IET 量子通信 1, 3–8 (2020)。
https:///doi.org/10.1049/iet-qtc.2020.0002

[60] 杰夫·贝赞森、艾伦·埃德尔曼、斯特凡·卡平斯基和病毒 B·沙阿。 “朱莉娅：一种新的数值计算方法”。暹罗评论 59, 65–98 (2017)。
https：/ / doi.org/10.1137/ 141000671

[61] 罗修哲、刘金国、张潘和王磊。 “Yao.jl：可扩展、高效的量子算法设计框架”。量子 4, 341 (2020)。
https://doi.org/10.22331/q-2020-10-11-341

[62] 吉安·根蒂内塔、弗里德里克·梅茨和朱塞佩·卡莱奥。 “变分量子动力学的开销约束电路编织手稿代码”。 Github（2024）。
https：///doi.org/10.5281/zenodo.10829066

被引用

[1] Travis L. Scholten、Carl J. Williams、Dustin Moody、Michele Mosca、William Hurley、William J. Zeng、Matthias Troyer 和 Jay M. Gambetta，“评估量子计算机的好处和风险”，的arXiv：2401.16317, (2024).

[2] Julien Gacon，“噪声量子计算机的可扩展量子算法”，的arXiv：2403.00940, (2024).

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