Kvantealgoritmer til gitterbaseret variationstidsudvikling

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Pauline J Ollitrault¹, Sven Jandura¹, Alexander Miessen¹, Irene Burghardt², Rocco Martinazzo^3,4, Francesco Tacchino¹, og Ivano Tavernelli¹

¹IBM Quantum, IBM Research – Zürich, Säumerstrasse 4, 8803 Rüschlikon, Schweiz
²Institut for Fysisk og Teoretisk Kemi, Goethe Universitet Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 7, D-60438 Frankfurt/Main, Tyskland
³Institut for Kemi, Università degli Studi di Milano, Via Golgi 19, 20133 Milano, Italien
⁴Istituto di Scienze e Tecnologie Chimiche “Giulio Natta”, CNR, Via Golgi 19, 20133 Milano, Italien

Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Simuleringen af kvantedynamik kræver kvantealgoritmer, der arbejder i første kvantiserede gitterkodninger. Her foreslår vi en variationskvantealgoritme til at udføre kvantedynamik i første kvantisering. Ud over den sædvanlige reduktion i kredsløbsdybden, der tildeles af variationstilgange, nyder denne algoritme også adskillige fordele sammenlignet med tidligere foreslåede. For eksempel lider variationstilgange under behovet for et stort antal målinger. Grid-kodningen af første kvantificerede Hamiltonianere kræver dog kun måling i positions- og momentumbaser, uanset systemstørrelsen. Deres kombination med varierende tilgange er derfor særligt attraktiv. Desuden kan heuristiske variationsformer anvendes til at overvinde begrænsningen af den hårde nedbrydning af trotteriserede første kvantiserede Hamiltonianere til kvanteporte. Vi anvender denne kvantealgoritme på dynamikken i flere systemer i én og to dimensioner. Vores simuleringer udviser de tidligere observerede numeriske ustabiliteter af variations-tidsudbredelsestilgange. Vi viser, hvordan de kan dæmpes betydeligt gennem subrumsdiagonalisering til en pris af yderligere $mathcal{O}(MN^2)$ 2-qubit porte, hvor $M$ er antallet af dimensioner og $N^M$ er det samlede antal antal gitterpunkter.

► BibTeX-data

@article{Ollitrault2023quantumalgorithms, doi = {10.22331/q-2023-10-12-1139}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-10-12-1139}, url = {https://doi.org/2521/q-327-7-1139-2023}, for gitterbaseret variationstidsudvikling}, forfatter = {Ollitrault, Pauline J og Jandura, Sven og Miessen, Alexander og Burghardt, Irene og Martinazzo, Rocco og Tacchino, Francesco og Tavernelli, Ivano}, tidsskrift = {{Quantum}}, issn = {XNUMX-XNUMXX}, udgiver = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, bind = {XNUMX}, sider = {XNUMX}, måned = okt, år = {XNUMX} }

► Referencer

[1] Roland Lindh og Leticia González. "Kvantekemi og dynamik af exciterede tilstande: Metoder og anvendelser". John Wiley & sønner. (2020).
https:///doi.org/10.1002/9781119417774

[2] Fabien Gatti, Benjamin Lasorne, Hans-Dieter Meyer og André Nauts. "Anvendelser af kvantedynamik i kemi". Bind 98. Springer. (2017).
https://doi.org/10.1007/978-3-319-53923-2

[3] Hans-Dieter Meyer, Fabien Gatti og Graham A Worth. "Multidimensionel kvantedynamik: Mctdh-teori og anvendelser". John Wiley & sønner. (2009).
https:///doi.org/10.1002/9783527627400

[4] Basile FE Curchod og Todd J Martínez. "Ab initio nonadiabatisk kvantemolekylær dynamik". Chemical Reviews 118, 3305-3336 (2018).
https:///doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00423

[5] Fabien Gatti. "Molekylær kvantedynamik: fra teori til applikationer". Springer. (2014).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-45290-1

[6] Niels Kristian Madsen, Mads Bøttger Hansen, Graham A Worth og Ove Christiansen. "Mr-mctdh [n]: Fleksible konfigurationsrum og ikke-diabatisk dynamik inden for mctdh [n]-rammen". Journal of Chemical Theory and Computation 16, 4087–4097 (2020).
https:///doi.org/10.1021/acs.jctc.0c00379

[7] Hayley Weir, Monika Williams, Robert M Parrish, Edward G Hohenstein og Todd J Martínez. "Nonadiabatisk dynamik af fotoexciteret cis-stilben ved brug af ab initio multiple spawning". The Journal of Physical Chemistry B 124, 5476–5487 (2020).
https:///doi.org/10.1021/acs.jpcb.0c03344

[8] Richard P Feynman. "Simulering af fysik med computere". International Journal of Theoretical Physics 21 (1999).
https://doi.org/10.1007/bf02650179

[9] Francesco Tacchino, Alessandro Chiesa, Stefano Carretta og Dario Gerace. "Kvantecomputere som universelle kvantesimulatorer: State-of-the-art og perspektiver". Advanced Quantum Technologies 3, 1900052 (2020).
https:///doi.org/10.1002/qute.201900052

[10] Alexander Miessen, Pauline J Ollitrault, Francesco Tacchino og Ivano Tavernelli. "Kvantealgoritmer til kvantedynamik". Nature Computational Science 3, 25-37 (2023).
https://doi.org/10.1038/s43588-022-00374-2

[11] Stephen Wiesner. "Simuleringer af mange-krops kvantesystemer med en kvantecomputer" (1996). arXiv:quant-ph/9603028.
arXiv:quant-ph/9603028

[12] Christof Zalka. "Simulering af kvantesystemer på en kvantecomputer". Proceedings fra Royal Society of London. Serie A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 454, 313–322 (1998).
https:///doi.org/10.1098/rspa.1998.0162

[13] Yale fan. "Kvantesimulering af simpel mange-krops dynamik". International Journal of Quantum Information 10, 1250049 (2012).
https:///doi.org/10.1142/S0219749912500499

[14] Giuliano Benenti og Giuliano Strini. "Kvantesimulering af enkelt-partikel schrödinger-ligningen". American Journal of Physics 76, 657–662 (2008).
https:///doi.org/10.1119/1.2894532

[15] Rolando D Somma. "Kvantesimuleringer af endimensionelle kvantesystemer" (2015). arXiv:1503.06319v2.
arXiv:1503.06319v2

[16] M Ostrowski. "Kvantesimulering af tunneleffekten". Bulletin fra det polske videnskabsakademi. Tekniske Videnskaber 63, 379-383 (2015).
https:///doi.org/10.1515/bpasts-2015-0042

[17] Alexandru Macridin, Panagiotis Spentzouris, James Amundson og Roni Harnik. "Elektron-fononsystemer på en universel kvantecomputer". Physical Review Letters 121, 110504 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.110504

[18] Pauline J. Ollitrault, Guglielmo Mazzola og Ivano Tavernelli. "Nonadiabatisk molekylær kvantedynamik med kvantecomputere". Phys. Rev. Lett. 125, 260511 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.260511

[19] Pauline J. Ollitrault, Alexander Miessen og Ivano Tavernelli. "Molecular Quantum Dynamics: A Quantum Computing Perspective". Accounts of Chemical Research 54, 4229–4238 (2021).
https:///doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00514

[20] Dominic W Berry, Graeme Ahokas, Richard Cleve og Barry C Sanders. "Effektive kvantealgoritmer til simulering af sparsomme hamiltonianere". Communications in Mathematical Physics 270, 359–371 (2007).
https:///doi.org/10.1007/s00220-006-0150-x

[21] Stefan Woerner og Daniel J Egger. "Kvanterisikoanalyse". npj Quantum Information 5, 1–8 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0130-6

[22] Thomas Häner, Martin Roetteler og Krysta M. Svore. "Optimering af kvantekredsløb til aritmetik" (2018). arXiv:1805.12445.
arXiv: 1805.12445

[23] Ivan Kassal, Stephen P Jordan, Peter J Love, Masoud Mohseni og Alán Aspuru-Guzik. "Polynomial-time kvantealgoritme til simulering af kemisk dynamik". Proceedings of the National Academy of Sciences 105, 18681–18686 (2008).
https:///doi.org/10.1073/pnas.0808245105

[24] Hans Hon Sang Chan, Richard Meister, Tyson Jones, David P. Tew og Simon C. Benjamin. "Grid-baserede metoder til kemimodellering på en kvantecomputer". Science Advances 9 (2023).
https:///doi.org/10.1126/sciadv.abo7484

[25] N Cody Jones, James D Whitfield, Peter L McMahon, Man-Hong Yung, Rodney Van Meter, Alán Aspuru-Guzik og Yoshihisa Yamamoto. "Hurtigere kvantekemi simulering på fejltolerante kvantecomputere". New Journal of Physics 14, 115023 (2012).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/14/11/115023

[26] Xiao Yuan, Suguru Endo, Qi Zhao, Ying Li og Simon C Benjamin. "Teori om variationel kvantesimulering". Quantum 3, 191 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-10-07-191

[27] Marco Cerezo, Andrew Arrasmith, Ryan Babbush, Simon C Benjamin, Suguru Endo, Keisuke Fujii, Jarrod R McClean, Kosuke Mitarai, Xiao Yuan, Lukasz Cincio, et al. "Variationelle kvantealgoritmer". Nature Reviews Physics 3, 625-644 (2021).
https://doi.org/10.1038/s42254-021-00348-9

[28] Ying Li og Simon C Benjamin. "Effektiv variationskvantesimulator med aktiv fejlminimering". Fysisk gennemgang X 7, 021050 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.7.021050

[29] Michael Lubasch, Jaewoo Joo, Pierre Moinier, Martin Kiffner og Dieter Jaksch. "Variationelle kvantealgoritmer til ikke-lineære problemer". Fysisk gennemgang A 101, 010301 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.101.010301

[30] Alexandru Macridin, Andy CY Li, Stephen Mrenna og Panagiotis Spentzouris. "Bosonisk feltdigitalisering til kvantecomputere". Physical Review A 105, 052405 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.105.052405

[31] Yong-Xin Yao, Niladri Gomes, Feng Zhang, Cai-Zhuang Wang, Kai-Ming Ho, Thomas Iadecola og Peter P. Orth. "Adaptive variationsmæssige kvantedynamiksimuleringer". PRX Quantum 2, 030307 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.030307

[32] Niladri Gomes, Anirban Mukherjee, Feng Zhang, Thomas Iadecola, Cai-Zhuang Wang, Kai-Ming Ho, Peter P Orth og Yong-Xin Yao. "Adaptiv variationsmæssig kvanteimaginær tidsevolutionstilgang til forberedelse af grundtilstand". Advanced Quantum Technologies 4, 2100114 (2021).
https:///doi.org/10.1002/qute.202100114

[33] Sam McArdle, Tyson Jones, Suguru Endo, Ying Li, Simon C Benjamin og Xiao Yuan. "Variationel ansatz-baseret kvantesimulering af imaginær tidsevolution". npj Quantum Information 5, 1–6 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0187-2

[34] Lucas Hackl, Tommaso Guaita, Tao Shi, Jutho Haegeman, Eugene A Demler og J Ignacio Cirac. "Geometri af variationsmetoder: dynamik af lukkede kvantesystemer". SciPost Physics 9 (2020).
https:///doi.org/10.21468/SciPostPhys.9.4.048

[35] Maria Schuld, Ville Bergholm, Christian Gogolin, Josh Izaac og Nathan Killoran. "Evaluering af analytiske gradienter på kvantehardware". Phys. Rev. A 99, 032331 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.032331

[36] Uwe Manthe. "Kvantemolekylær dynamik med bølgepakker". Kvantesimuleringer af komplekse mangekroppssystemer: Fra teori til algoritmer, forelæsningsnoter.—Jülich: John von Neumann Institute for ComputingPages 361-375 (2002). url: juser.fz-juelich.de/record/152529/files/FZJ-2014-02133.pdf.
https:///juser.fz-juelich.de/record/152529/files/FZJ-2014-02133.pdf

[37] Chee-Kong Lee, Chang-Yu Hsieh, Shengyu Zhang og Liang Shi. "Variationel kvantesimulering af kemisk dynamik med kvantecomputere" (2021). arXiv:2110.06143.
arXiv: 2110.06143

[38] Alexander Miessen, Pauline J. Ollitrault og Ivano Tavernelli. "Kvantealgoritmer for kvantedynamik: En præstationsundersøgelse af spin-boson-modellen". Physical Review Research 3, 043212 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.043212

[39] Julien Gacon, Christa Zoufal, Giuseppe Carleo og Stefan Woerner. "Simultan forstyrrelse stokastisk tilnærmelse af kvantefiskerinformationen". Quantum 5, 567 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-10-20-567

[40] Stefano Barison, Filippo Vicentini og Giuseppe Carleo. "En effektiv kvantealgoritme til tidsudviklingen af parametriserede kredsløb". Quantum 5, 512 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-07-28-512

[41] Kosuke Mitarai, Masahiro Kitagawa og Keisuke Fujii. "Quante analog-digital konvertering". Fysisk anmeldelse A 99, 012301 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.012301

[42] Charles R. Harris, K. Jarrod Millman, Stéfan J. van der Walt, Ralf Gommers, Pauli Virtanen, David Cournapeau, Eric Wieser, Julian Taylor, Sebastian Berg, Nathaniel J. Smith, Robert Kern, Matti Picus, Stephan Hoyer, Marten H. van Kerkwijk, Matthew Brett, Allan Haldane, Jaime Fernández del Río, Mark Wiebe, Pearu Peterson, Pierre Gérard-Marchant, Kevin Sheppard, Tyler Reddy, Warren Weckesser, Hameer Abbasi, Christoph Gohlke og Travis E. Oliphant. "Array-programmering med NumPy". Nature 585, 357-362 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2649-2

[43] Pauli Virtanen, Ralf Gommers, Travis E. Oliphant, Matt Haberland, Tyler Reddy, David Cournapeau, Evgeni Burovski, Pearu Peterson, Warren Weckesser, Jonathan Bright, Stéfan J. van der Walt, Matthew Brett, Joshua Wilson, K. Jarrod Millman, Nikolay Mayorov, Andrew RJ Nelson, Eric Jones, Robert Kern, Eric Larson, CJ Carey, İlhan Polat, Yu Feng, Eric W. Moore, Jake VanderPlas, Denis Laxalde, Josef Perktold, Robert Cimrman, Ian Henriksen, EA Quintero, Charles R Harris, Anne M. Archibald, Antônio H. Ribeiro, Fabian Pedregosa, Paul van Mulbregt og SciPy 1.0 Bidragydere. "SciPy 1.0: Grundlæggende algoritmer for videnskabelig databehandling i Python". Nature Methods 17, 261-272 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41592-019-0686-2

[44] Raban Iten, Oliver Reardon-Smith, Emanuel Malvetti, Luca Mondada, Gabrielle Pauvert, Ethan Redmond, Ravjot Singh Kohli og Roger Colbeck. "Introduktion til UniversalQCompiler" (2019). arXiv:1904.01072.
arXiv: 1904.01072

[45] Raban Iten, Roger Colbeck, Ivan Kukuljan, Jonathan Home og Matthias Christandl. "Kvantekredsløb for isometrier". Phys. Rev. A 93, 032318 (2016).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.93.032318

[46] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C. Benjamin og Xiao Yuan. "Kvanteberegningskemi". Review of Modern Physics 92, 015003 (2020).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.92.015003

[47] Rolando Somma, Gerardo Ortiz, James E Gubernatis, Emanuel Knill og Raymond Laflamme. "Simulering af fysiske fænomener ved kvantenetværk". Physical Review A 65, 042323 (2002).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.65.042323

[48] Rocco Martinazzo og Irene Burghardt. "Lokal-i-tid fejl i variationskvantedynamik". Physical Review Letters 124, 150601 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.150601

[49] Gadi Aleksandrowicz, Thomas Alexander, Panagiotis Barkoutsos, Luciano Bello, Yael Ben-Haim, David Bucher, Francisco Jose Cabrera-Hernádez, Jorge Carballo-Franquis, Adrian Chen, Chun-Fu Chen, Jerry M. Chow, Antonio D. Córcoles-Gonzales , Abigail J. Cross, Andrew Cross, Juan Cruz-Benito, Chris Culver, Salvador De La Puente González, Enrique De La Torre, Delton Ding, Eugene Dumitrescu, Ivan Duran, Pieter Eendebak, Mark Everitt, Ismael Faro Sertage, Albert Frisch, Andreas Fuhrer, Jay Gambetta, Borja Godoy Gago, Juan Gomez-Mosquera, Donny Greenberg, Ikko Hamamura, Vojtech Havlicek, Joe Hellmers, Łukasz Herok, Hiroshi Horii, Shaohan Hu, Takashi Imamichi, Toshinari Itoko, Kan Ali Javadi-Abharazi, Naok Anton Karazeev, Kevin Krsulich, Peng Liu, Yang Luh, Yunho Maeng, Manoel Marques, Francisco Jose Martín-Fernández, Douglas T. McClure, David McKay, Srujan Meesala, Antonio Mezzacapo, Nikolaj Moll, Diego Moreda Rodríguez, Giacomo Nannicini, Paul Nation , Pauline Ollitrault, Lee James O'Riordan, Hanhee Paik, Jesús Pérez, Anna Phan, Marco Pistoia, Viktor Prutyanov, Max Reuter, Julia Rice, Abdón Rodríguez Davila, Raymond Harry Putra Rudy, Mingi Ryu, Ninad Sathaye, Chris Schnabel, Eddie Schoute, Kanav Setia, Yunong Shi, Adenilton Silva, Yukio Siraichi, Seyon Sivarajah, John A. Smolin, Mathias Soeken, Hitomi Takahashi, Ivano Tavernelli, Charles Taylor, Pete Taylour, Kenso Trabing, Matthew Treinish, Wes Turner, Desiree Vogt-Lee , Christophe Vuillot, Jonathan A. Wildstrom, Jessica Wilson, Erick Winston, Christopher Wood, Stephen Wood, Stefan Wörner, Ismail Yunus Akhalwaya og Christa Zoufal. "Qiskit: En open source-ramme til kvanteberegning" (2019).
https:///doi.org/10.5281/zenodo.2562111

Citeret af

[1] Luca Cappelli, Francesco Tacchino, Giuseppe Murante, Stefano Borgani og Ivano Tavernelli, "Fra Vlasov-Poisson til Schrödinger-Poisson: simulering af mørkt stof med en kvantevariationstidsevolutionsalgoritme", arXiv: 2307.06032, (2023).

[2] Mostafizur Rahaman Laskar, Kalyan Dasgupta og Atanu Bhattacharya, "A Proposed Quantum Hamiltonian Encoding Framework for Time Evolution Operator Design of Potential Energy Function", arXiv: 2308.06491, (2023).

[3] Hans Hon Sang Chan, Richard Meister, Tyson Jones, David P. Tew og Simon C. Benjamin, "Grid-baserede metoder til kemisimuleringer på en kvantecomputer", arXiv: 2202.05864, (2022).

[4] Christa Zoufal, David Sutter og Stefan Woerner, "Error Bounds for Variational Quantum Time Evolution", arXiv: 2108.00022, (2021).

[5] Taichi Kosugi, Hirofumi Nishi og Yuichiro Matsushita, "Udtømmende søgning efter optimale molekylære geometrier ved hjælp af imaginær tidsevolution på en kvantecomputer", arXiv: 2210.09883, (2022).

[6] Daniel J. Egger, Chiara Capecci, Bibek Pokharel, Panagiotis Kl. Barkoutsos, Laurin E. Fischer, Leonardo Guidoni og Ivano Tavernelli, "Pulse variational quantum eigensolver on cross-resonance-based hardware", Physical Review Research 5 3, 033159 (2023).

[7] Hans Hon Sang Chan, Richard Meister, Tyson Jones, David P. Tew og Simon C. Benjamin, "Grid-baserede metoder til kemisimuleringer på en kvantecomputer", Science Advances 9 9, eabo7484 (2023).

[8] Daniel Bultrini og Oriol Vendrell, "Mixed Quantum-Classical Dynamics for Near Term Quantum Computers", arXiv: 2303.11375, (2023).

[9] Alistair Letcher, Stefan Woerner og Christa Zoufal, "Fra stramme gradientgrænser for parametriserede kvantekredsløb til fraværet af golde plateauer i QGANs", arXiv: 2309.12681, (2023).

[10] Anton Nykänen, Aaron Miller, Walter Talarico, Stefan Knecht, Arseny Kovyrshin, Mårten Skogh, Lars Tornberg, Anders Broo, Stefano Mensa, Benjamin CB Symons, Emre Sahin, Jason Crain, Ivano Tavernelli og Fabijan Pavošević, “Toward Accurate Post-Born-Oppenheimer Molecular Simulations on Quantum Computers: An Adaptive Variational Eigensolver with Nuclear-Electronic Frozen Natural Orbitals", arXiv: 2310.01302, (2023).

Ovenstående citater er fra SAO/NASA ADS (sidst opdateret 2023-10-13 04:32:47). Listen kan være ufuldstændig, da ikke alle udgivere leverer passende og fuldstændige citatdata.

On Crossrefs citeret af tjeneste ingen data om at citere værker blev fundet (sidste forsøg 2023-10-13 04:32:46).

Dette papir er udgivet i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Ophavsretten forbliver hos de originale copyright-indehavere, såsom forfatterne eller deres institutioner.

SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
Kilde: https://quantum-journal.org/papers/q-2023-10-12-1139/

Tidsstempel: Oktober 12, 2023

Tidsstempel: December 14, 2023

Kvantealgoritmer til gitterbaseret variationstidsudvikling

Genudgivet af Platon

Abstrakt

► BibTeX-data

► Referencer

Citeret af

Mere fra Quantum Journal

Hvordan man udfører den kohærente måling af et buet faserum ved kontinuerlig isotrop måling. I. Spin og Kraus-operatorgeometrien for $mathrm{SL}(2,mathbb{C})$

Adaptiv overfladekode til kvantefejlkorrektion i tilfælde af midlertidige eller permanente defekter

Tilpasning af kvantestøjmodeller til tomografidata

Udvinding af ergotropi: fri energi bundet og anvendelse på motorer med åben cyklus

Tre numeriske tilgange til at finde gensidigt upartiske baser ved hjælp af Bell-uligheder

Robust og effektiv Hamiltonsk læring

Variationel kvantesimulering af valensbindingsfaste stoffer

Kvantificering af Grover fremskynder ud over asymptotisk analyse

Højdimensionel kodning i Round-Robin Differential-Phase-Shift-protokollen

Om os

Vertikal søgning & Ai

perron

Stay Connected

Konto