量子化学中激发态的基于完整电路的量子算法

量子化学中激发态的基于完整电路的量子算法

时间戳记：4年2024月9日，凌晨05:XNUMX

文经纬1,2, 王正安3, 陈驰同4,5, 肖俊祥1, 李航3, 凌谦2, 黄志国2, 范恒3,4, 魏世杰3、龙贵禄1,3,6,7

1清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室, 北京 100084
2中移（苏州）软件技术有限公司, 苏州 215163
3北京量子信息科学研究院, 北京 100193
4中国科学院物理研究所, 北京 100190
5中国科学院大学物理科学学院, 北京 100190
6量子信息前沿科学中心, 北京 100084
7北京国家信息科学技术研究中心, 北京 100084

觉得本文有趣或想讨论？ 在SciRate上发表评论或发表评论.

抽象

利用量子计算机研究量子化学是当今的一个重要研究领域。除了已广泛研究的基态问题外，激发态的确定在化学反应和其他物理过程的预测和建模中也起着至关重要的作用。在这里，我们提出了一种基于非变分全电路的量子算法，用于获得量子化学哈密顿量的激发态谱。与以往的经典-量子混合变分算法相比，我们的方法消除了经典的优化过程，减少了不同系统之间相互作用带来的资源成本，并且实现了更快的收敛速度和更强的抗噪声鲁棒性，且没有贫瘠的高原。用于确定下一个能级的参数更新自然依赖于前一个能级的能量测量输出，并且只需修改辅助系统的状态准备过程即可实现，引入的额外资源开销很小。对氢、LiH、H2O 和 NH3 分子的算法进行了数值模拟。此外，我们在超导量子计算平台上对该算法进行了实验演示，结果与理论预期吻合良好。该算法可广泛应用于容错量子计算机上的各种哈密顿谱确定问题。

量子化学中激发态的基于完整电路的量子算法柏拉图区块链数据智能。垂直搜索。人工智能。

特色图片：用于实现 FQESS 算法的量子电路。

热门摘要

我们提出了一种完整的量子激发态求解器（FQESS）算法，用于高效稳定地确定化学哈密顿量的谱，以用于未来的容错量子计算。与经典-量子混合变分算法相比，我们的方法去除了经典计算机中的优化过程，并且根据先前能量的能量测量修改辅助系统的状态准备过程，可以简单地实现不同能级的参数更新。水平，这是实验友好的。而且，非变分性质可以保证算法沿着梯度下降最快的方向收敛到目标状态，避免出现贫瘠平台现象。我们的工作填补了基于不同算法框架解决量子化学问题的最后一步。

►BibTeX数据

►参考

[1] 保罗·贝尼奥夫.作为物理系统的计算机：以图灵机为代表的计算机微观量子力学哈密顿模型。统计物理学杂志，22 (5)：563–591，1980。10.1007/BF01011339。
https：/ / doi.org/ 10.1007 / BF01011339

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

[3] 彼得·W·肖尔.量子计算机上素因数分解和离散对数的多项式时间算法。暹罗评论，41 (2)：303–332，1999。10.1137/​S0036144598347011。
https：/ / doi.org/ 10.1137 / S0036144598347011

[4] Lov K Grover。 量子力学有助于在大海捞针中寻找针头。 体检信，79（2）：325，1997 / PhysRevLett.10.1103。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.79.325

[5] 桂鲁龙、李岩松、张伟林、牛李。量子搜索中的相位匹配。物理快报 A，262​​1 (27)：34–1999，10.1016。0375/​S9601-99(00631)3-XNUMX。
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(99)00631-3

[6] Aram W Harrow、Avinatan Hassidim 和 Seth Lloyd。 线性方程组的量子算法。 物理评论快报，103 (15): 150502, 2009. 10.1103/ PhysRevLett.103.150502。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502

[7] Yiğit Subaşı、Rolando D Somma 和 Davide Orsucci。受绝热量子计算启发的线性方程组量子算法。物理评论信件，122 (6)：060504，2019。10.1103/PhysRevLett.122.060504。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.060504

[8] Yudong Cao、Jonathan Romero、Jonathan P Olson、Matthias Degroote、Peter D Johnson、Mária Kieferová、Ian D Kivlican、Tim Menke、Borja Peropadre、Nicolas PD Sawaya 等。 量子计算时代的量子化学。 化学评论，119 (19)：10856–10915，2019 年。10.1021/acs.chemrev.8b00803。
https：///doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00803

[9] 萨姆·麦卡德尔、Suguru Endo、艾伦·阿斯普鲁-古兹克、西蒙·C·本杰明和肖媛。 量子计算化学。 现代物理学评论，92 (1)：015003，2020。10.1103/​RevModPhys.92.015003。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.015003

[10] 贝拉·鲍尔（Bela Bauer），谢尔盖·布拉维（Sergey Bravyi），马里奥·莫塔（Mario Motta）和石榴石（Garnet Kin-Lic Chan）。 量子化学和量子材料科学的量子算法。 化学评论，120（22）：12685–12717，2020. 10.1021 / acs.chemrev.9b00829。
https：///doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00829

[11] 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 (1): 1–7, 2014. 10.1038/ ncomms5213。
https：///doi.org/10.1038/ncomms5213

[12] Peter JJ O'Malley、Ryan Babbush、Ian D Kivlichan、Jonathan Romero、Jarrod R McClean、Rami Barends、Julian Kelly、Pedram Roushan、Andrew Tranter、Nan Ding等。 分子能量的可扩展量子模拟。 物理评论 X, 6 (3): 031007, 2016. 10.1103/ PhysRevX.6.031007.
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.031007

[13] Abhinav Kandala、Antonio Mezzacapo、Kristan Temme、Maika Takita、Markus Brink、Jerry M Chow 和 Jay M Gambetta。 适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（7671）：242–246，2017。10.1038/nature23879。
https：/ / doi.org/10.1038/nature23879

[14] Marco Cerezo、Andrew Arrasmith、Ryan Babbush、Simon C Benjamin、Suguru Endo、Keisuke Fujii、Jarrod R McClean、Kosuke Mitarai、Xiao Yuan、Lukasz Cincio 等。变分量子算法。 《自然评论物理学》，第 1-20 页，2021 年。10.1038/​s42254-021-00348-9。
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00348-9

[15] Xavi Bonet-Monroig、Ramiro Sagastizabal、M Singh 和 TE O'Brien。 通过对称验证的低成本错误缓解。 物理评论 A, 98 (6): 062339, 2018. 10.1103/ PhysRevA.98.062339。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

[16] 哈珀·R·格里姆斯利、索菲亚·E·伊科诺莫、埃德温·巴恩斯和尼古拉斯·J·梅霍尔。用于在量子计算机上进行精确分子模拟的自适应变分算法。自然通讯，10（1）：1-9，2019。10.1038/s41467-019-10988-2。
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-019-10988-2

[17] Ho Lun Tang、VO Shkolnikov、George S Barron、Harper R Grimsley、Nicholas J Mayhall、Edwin Barnes 和 Sophia E Economou。 qubit-adapt-vqe：一种自适应算法，用于在量子处理器上构建硬件高效的 ansätze。 PRX 量子，2 (2)：020310，2021。10.1103/PRXQuantum.2.020310。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020310

[18] 马特乌斯·奥斯塔泽夫斯基、爱德华·格兰特和马塞洛·贝内代蒂。参数化量子电路的结构优化。量子，5：391，2021。10.22331/q-2021-01-28-391。
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-28-391

[19] 魏世杰，李航，龙桂禄.用于量子化学模拟的完整量子本征求解器。研究，2020，2020。10.34133/​2020/​1486935。
https：///doi.org/10.34133/2020/1486935

[20] 帕特里克·雷本特罗斯特、玛丽亚·舒尔德、伦纳德·沃斯尼格、弗朗西斯科·彼得鲁乔内和塞斯·劳埃德。量子梯度下降和牛顿法约束多项式优化。新物理学杂志，21（7）：073023，2019。10.1088/​1367-2630/​ab2a9e。
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab2a9e

[21] 奥斯卡·希戈特、王道臣和斯蒂芬·布莱尔利。激发态的变分量子计算。量子，3：156，2019。10.22331/q-2019-07-01-156。
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-07-01-156

[22] 泰森·琼斯、远藤胜、萨姆·麦卡德尔、肖远和西蒙·C·本杰明。用于发现哈密尔顿光谱的变分量子算法。物理评论 A，99 (6)：062304，2019。10.1103/PhysRevA.99.062304。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062304

[23] Ken M Nakanishi、Kosuke Mitarai 和 Keisuke Fujii。激发态的子空间搜索变分量子本征解算器。物理评论研究，1 (3)：033062，2019。10.1103/PhysRevResearch.1.033062。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.1.033062

[24] 罗伯特·M·帕里什、爱德华·G·霍恩斯坦、彼得·L·麦克马洪和托德·J·马丁内斯。使用变分量子本征解算器进行电子跃迁的量子计算。物理评论快报，122 (23)：230401，2019。10.1103/PhysRevLett.122.230401。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.230401

[25] 贾罗德·R·麦克林 (Jarrod R McClean)、莫莉·E·金奇-施瓦茨 (Mollie E Kimchi-Schwartz)、乔纳森·卡特 (Jonathan Carter) 和 Wibe A De Jong。用于减轻退相干和确定激发态的混合量子经典层次结构。物理评论 A，95 (4)：042308，2017。10.1103/PhysRevA.95.042308。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[26] James I Collless、Vinay V Ramasesh、Dar Dahlen、Machiel S Blok、Mollie E Kimchi-Schwartz、Jarrod R McClean、Jonathan Carter、Wibe A de Jong 和 Irfan Siddiqi。使用容错算法在量子处理器上计算分子光谱。物理评论 X，8 (1)：011021，2018。10.1103/PhysRevX.8.011021。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.011021

[27] 佩吉曼·朱兹达尼、斯特凡·布林吉耶和马克·科斯图克。一种确定量子计算激发态的方法。 arXiv 预印本 arXiv：1908.05238，2019。10.48550/arXiv.1908.05238。
https://doi.org/10.48550/arXiv.1908.05238
的arXiv：1908.05238

[28] Pauline J Ollitrault、Abhinav Kandala、Chun-Fu Chen、Panagiotis Kl Barkoutsos、Antonio Mezzacapo、Marco Pistoia、Sarah Sheldon、Stefan Woerner、Jay M Gambetta 和 Ivano Tavernelli。用于在嘈杂的量子处理器上计算分子激发能的量子运动方程。物理评论研究，2 (4)：043140，2020。10.1103/PhysRevResearch.2.043140。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.043140

[29] 张丹波、陈斌林、袁占浩、尹涛。通过方差最小化的变分量子本征求解器。中国物理B, 31 (12): 120301, 2022. 10.1088/​1674-1056/​ac8a8d.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1674-1056/​ac8a8d

[30] 萨阿德·亚鲁兹、埃米尔·科里登、布鲁诺·森让、本杰明·拉索恩、弗朗西斯科·布达和卢卡斯·维舍尔。状态平均轨道优化变分量子本征求解器内的分析非绝热耦合和梯度。化学理论与计算杂志，18 (2): 776–794, 2022。10.1021/acs.jctc.1c00995。
https：/ / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.1c00995

[31] 文经纬、吕定顺、容曼红、龙桂禄。任意激发态的变分量子封装紧缩。量子工程，第 e80 页，2021 年。10.1002/que2.80。
https:///​doi.org/​10.1002/​que2.80

[32] 帕斯夸尔·乔丹和尤金·保罗·维格纳。 über das Paulische äquivalenzverbot。 《尤金·保罗·维格纳文集》，第 109-129 页。施普林格，1993。10.1007/​978-3-662-02781-3_9。
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-662-02781-3_9

[33] 谢尔盖·B·布拉维 (Sergey B Bravyi) 和阿列克谢·尤·基塔耶夫 (Alexei Yu Kitaev)。费米子量子计算。物理学年鉴，298 (1)：210–226，2002。10.1006/aphy.2002.6254。
https：/ / doi.org/ 10.1006 / aphy.2002.6254

[34] 龙桂禄.通用量子干涉原理与对偶计算机。理论物理通讯，45 (5): 825, 2006。10.1088/​0253-6102/​45/​5/​013。
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0253-6102/​45/​5/​013

[35] 龙桂禄、刘洋。量子计算机中的对偶计算。理论物理通讯，50 (6): 1303, 2008。10.1088/​0253-6102/​50/​6/​11。
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0253-6102/​50/​6/​11

[36] 龙桂禄, 刘洋, 王川.允许的广义量子门。理论物理通讯，51 (1): 65, 2009。10.1088/​0253-6102/​51/​1/​13。
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0253-6102/​51/​1/​13

[37] 安德鲁·M·柴尔兹和内森·维比。使用酉运算的线性组合进行哈密顿模拟。 arXiv 预印本 arXiv:1202.5822, 2012/arXiv.10.48550。
https://doi.org/10.48550/arXiv.1202.5822
的arXiv：1202.5822

[38] 文经纬，郑超，孔翔宇，魏士杰，辛涛，龙桂鲁。一般 $mathcal{PT}$ 对称系统的数字量子模拟的实验演示。物理评论 A，99 (6)：062122，2019。10.1103/PhysRevA.99.062122。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062122

[39] 文经纬、秦国庆、郑超、魏世杰、孔翔宇、辛涛、龙桂鲁。观察具有核自旋的反$mathcal{PT}$对称系统中的信息流。 npj 量子信息，6 (1)：1–7，2020。10.1038/​s41534-020-0258-4。
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0258-4

[40] 龙贵禄、孙阳。用任意叠加状态初始化量子寄存器的有效方案。物理评论 A，64 (1)：014303，2001。10.1103/PhysRevA.64.014303。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.014303

[41] 维托里奥·乔瓦内蒂、塞思·劳埃德和洛伦佐·马科尼。 量子随机存取存储器。 物理评论信函，100 (16): 160501, 2008. 10.1103/ PhysRevLett.100.160501。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.100.160501

[42] Gilles Brassard，Peter Hoyer，Michele Mosca和Alain Tapp。 量子幅度放大和估计。 当代数学，305：53-74，2002. 10.1090 / conm / 305/05215。
https：/ ‐ / doi.org/10.1090/conm/305/05215

[43] 多米尼克·W·贝里、安德鲁·M·柴尔兹、理查德·克莱夫、罗宾·科塔里和罗兰多·D·索玛。使用截断的泰勒级数模拟哈密顿动力学。物理评论信件，114 (9)：090502，2015。10.1103/PhysRevLett.114.090502。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.090502

[44] 陶鑫、魏世杰、Julen S Pedernales、Enrique Solano 和 Gui-Lu Long。核磁共振中量子通道的量子模拟。物理评论 A，96 (6)：062303，2017。10.1103/PhysRevA.96.062303。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.062303

[45] 魏世杰、辛涛、龙桂禄。 IBM 云量子计算机中的高效通用量子通道模拟。中国科学物理、力学与天文学, 61 (7): 1–10, 2018. 10.1007/​s11433-017-9181-9.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11433-017-9181-9

[46] 马里奥·纳波利塔诺、Marco Koschorreck、Brice Dubost、Naeimeh Behbood、RJ Sewell 和 Morgan W Mitchell。基于交互的量子计量显示尺度超出了海森堡极限。自然，471 (7339)：486–489，2011。10.1038/nature09778。
https：/ / doi.org/10.1038/nature09778

[47] 关于Quafu云平台的详细信息可以在网站、github和文档中找到。
http://​quafu.baqis.ac.cn/​

[48] 杜江峰，徐南阳，彭新华，王鹏飞，吴三峰，陆大伟。通过绝热态制备进行分子氢量子模拟的核磁共振实现。物理评论信件，104 (3)：030502，2010。10.1103/PhysRevLett.104.030502。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.030502

[49] 梅苏姆·潘朱.计算特征值和特征向量的迭代方法。 arXiv 预印本 arXiv：1105.1185，2011。10.48550/arXiv.1105.1185。
https://doi.org/10.48550/arXiv.1105.1185
的arXiv：1105.1185

被引用

[1]文经纬，郑超，黄志国，钱凌，“基于近似酉展开式的虚时间演化的无迭代数字量子模拟”， EPL（欧洲物理学快报）141 6，68001（2023）.

[2] 王博志、温经伟、吴嘉伟、谢浩南、杨帆、魏世杰、龙桂禄，“一种用于能带结构的动力全量子本征解算器”， 的arXiv：2308.03134, (2023).

[3] 梁金民、吕巧巧、沉树千、李明、王志熙、费少明，“用于基态制备的改进迭代量子算法”， 的arXiv：2210.08454, (2022).

[4] 易鑫、霍家成、高永攀、范凌、张茹、曹聪，“基于量子梯度下降的组合优化迭代量子算法”， 物理学成绩 56, 107204 (2024).

以上引用来自 SAO / NASA广告 （最近成功更新为2024-01-04 14:13:50）。 该列表可能不完整，因为并非所有发布者都提供合适且完整的引用数据。

无法获取 Crossref引用的数据 在上一次尝试2024-01-04 14:13:48期间：无法从Crossref获取10.22331 / q-2024-01-04-1219的引用数据。 如果DOI是最近注册的，这是正常的。

该论文发表在《量子》杂志上 国际知识共享署名署名4.0（CC BY 4.0） 执照。 版权归原始版权持有者所有，例如作者或其所在机构。

时间戳记：

更多来自 量子杂志