Xanadu, Toronto, ON, M5G 2C8, Canada
Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.
Abstrakt
Universelle portsæt til kvanteberegning har været kendt i årtier, men alligevel er der ikke foreslået noget universelt portsæt til partikelbevarende unitarer, som er operationer af interesse i kvantekemi. I dette arbejde viser vi, at kontrollerede enkelt-excitationsporte i form af Givens rotationer er universelle for partikelbevarende unitarer. Enkelt-excitationsporte beskriver en vilkårlig $U(2)$-rotation på to-qubit-underrummet spændt ud af tilstandene $|01rangle, |10rangle$, mens andre tilstande forbliver uændrede – en transformation, der er analog med en enkelt-qubit-rotation på en dual-rail qubit. Beviset er konstruktivt, så vores resultat giver også en eksplicit metode til at kompilere arbitrære partikelbevarende unitarer. Derudover beskriver vi en metode til at bruge kontrollerede enkelt-excitationsporte til at forberede en vilkårlig tilstand af et fast antal partikler. Vi udleder analytiske gradientformler for Givens-rotationer såvel som dekomponeringer til enkelt-qubit- og CNOT-porte. Vores resultater tilbyder en samlende ramme for kvanteberegningskemi, hvor hver algoritme er en unik opskrift bygget af de samme universelle ingredienser: Givens rotationer.
Udvalgt billede: Et eksempel på et kvantekredsløb bygget af Givens-rotationer
Populært resumé
► BibTeX-data
► Referencer
[1] Sam McArdle, Suguru Endo, Alan Aspuru-Guzik, Simon C Benjamin og Xiao Yuan. "Kvanteberegningskemi". Anmeldelser af Modern Physics 92, 015003 (2020).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.92.015003
[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, et al. "Kvantekemi i kvantecomputerens tidsalder". Chemical Reviews 119, 10856-10915 (2019).
https:///doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00803
[3] Markus Reiher, Nathan Wiebe, Krysta M Svore, Dave Wecker og Matthias Troyer. "Belysning af reaktionsmekanismer på kvantecomputere". Proceedings of the National Academy of Sciences 114, 7555–7560 (2017).
https:///doi.org/10.1073/pnas.1619152114
[4] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J Love, Alán Aspuru-Guzik og Jeremy L O'Brien. "En variabel egenværdiopløser på en fotonisk kvanteprocessor". Nature Communications 5, 1–7 (2014).
https:///doi.org/10.1038/ncomms5213
[5] Peter JJ O'Malley, Ryan Babbush, Ian D Kivlichan, Jonathan Romero, Jarrod R McClean, Rami Barends, Julian Kelly, Pedram Roushan, Andrew Tranter, Nan Ding, et al. "Skalerbar kvantesimulering af molekylære energier". Fysisk gennemgang X 6, 031007 (2016).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.6.031007
[6] Jarrod R McClean, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jonathan Carter og Wibe A De Jong. "Hybrid kvante-klassisk hierarki til afbødning af dekohærens og bestemmelse af exciterede tilstande". Fysisk anmeldelse A 95, 042308 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.95.042308
[7] Ilya G Ryabinkin, Scott N Genin og Artur F Izmaylov. "Begrænset variationskvanteegenopløser: Kvantecomputersøgemaskine i fockrummet". Journal of Chemical Theory and Computation 15, 249-255 (2018).
https:///doi.org/10.1021/acs.jctc.8b00943
[8] Kosuke Mitarai, Yuya O Nakagawa og Wataru Mizukami. "Teori om analytiske energiderivater for den variationelle kvanteegenopløser". Physical Review Research 2, 013129 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.013129
[9] Yohei Ibe, Yuya O. Nakagawa, Nathan Earnest, Takahiro Yamamoto, Kosuke Mitarai, Qi Gao og Takao Kobayashi. "Beregning af overgangsamplituder ved variation af kvantedeflation". Phys. Rev. Research 4, 013173 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.013173
[10] P Jordan og E Wigner. "Über das paulische äquivalenzverbot". Zeitschrift für Physik 47, 631–651 (1928).
https://doi.org/10.1007/978-3-662-02781-3_9
[11] Seth Lloyd. "Næsten enhver kvantelogikport er universel". Physical Review Letters 75, 346 (1995).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.75.346
[12] David P DiVincenzo. "To-bit porte er universelle til kvanteberegning". Physical Review A 51, 1015 (1995).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.51.1015
[13] Michael A Nielsen, Isaac L Chuang, Isaac L Chuang, et al. "Kvanteberegning og kvanteinformation". Cambridge University Press. (2000).
https:///doi.org/10.1017/CBO9780511976667
[14] Michał Oszmaniec og Zoltán Zimborás. "Universelle udvidelser af begrænsede klasser af kvanteoperationer". Physical Review Letters 119, 220502 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.220502
[15] Nicholas J Ward, Ivan Kassal og Alán Aspuru-Guzik. "Forberedelse af mange-kropstilstande til kvantesimulering". The Journal of Chemical Physics 130, 194105 (2009).
https:///doi.org/10.1063/1.3115177
[16] Hefeng Wang, S Ashhab og Franco Nori. "Effektiv kvantealgoritme til at forberede molekylære systemlignende tilstande på en kvantecomputer". Physical Review A 79, 042335 (2009).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.79.042335
[17] Zhang Jiang, Kevin J Sung, Kostyantyn Kechedzhi, Vadim N Smelyanskiy og Sergio Boixo. "Kvantealgoritmer til at simulere mange-kropsfysik af korrelerede fermioner". Fysisk gennemgang anvendt 9, 044036 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.9.044036
[18] Yordan S Yordanov, David RM Arvidsson-Shukur og Crispin HW Barnes. "Effektive kvantekredsløb til kvanteberegningskemi". Physical Review A 102, 062612 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.102.062612
[19] Bryan T Gard, Linghua Zhu, George S Barron, Nicholas J Mayhall, Sophia E Economou og Edwin Barnes. "Effektive symmetribevarende tilstandsforberedelseskredsløb til den variationelle kvanteegenopløseralgoritme". npj Quantum Information 6, 1–9 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0240-1
[20] Gian-Luca R Anselmetti, David Wierichs, Christian Gogolin og Robert M Parrish. "Lokale, ekspressive, kvantetalbevarende vqe ansätze for fermioniske systemer". New Journal of Physics 23, 113010 (2021).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac2cb3
[21] MH Yung, Jorge Casanova, Antonio Mezzacapo, Jarrod Mcclean, Lucas Lamata, Alan Aspuru-Guzik og Enrique Solano. "Fra transistor til fangede-ion-computere til kvantekemi". Scientific Reports 4, 1-7 (2014).
https:///doi.org/10.1038/srep03589
[22] Jonathan Romero, Ryan Babbush, Jarrod R McClean, Cornelius Hempel, Peter J Love og Alán Aspuru-Guzik. "Strategier til kvanteberegning af molekylære energier ved hjælp af den enhedskoblede klyngeansatz". Quantum Science and Technology 4, 014008 (2018).
https://doi.org/10.1088/2058-9565/aad3e4
[23] Harper R Grimsley, Sophia E Economou, Edwin Barnes og Nicholas J Mayhall. "En adaptiv variationsalgoritme til nøjagtige molekylære simuleringer på en kvantecomputer". Nature Communications 10, 1–9 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41467-019-10988-2
[24] Ho Lun Tang, VO Shkolnikov, George S Barron, Harper R Grimsley, Nicholas J Mayhall, Edwin Barnes og Sophia E Economou. "qubit-adapt-vqe: En adaptiv algoritme til at konstruere hardwareeffektiv ansätze på en kvanteprocessor". PRX Quantum 2, 020310 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.020310
[25] Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takita, Markus Brink, Jerry M Chow og Jay M Gambetta. "Hardwareeffektiv variationskvanteegenopløser til små molekyler og kvantemagneter". Nature 549, 242-246 (2017).
https:///doi.org/10.1038/nature23879
[26] Panagiotis Kl Barkoutsos, Jerome F Gonthier, Igor Sokolov, Nikolaj Moll, Gian Salis, Andreas Fuhrer, Marc Ganzhorn, Daniel J Egger, Matthias Troyer, Antonio Mezzacapo, et al. "Kvantealgoritmer til elektroniske strukturberegninger: Partikelhuls-hamiltonske og optimerede bølgefunktionsudvidelser". Fysisk anmeldelse A 98, 022322 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.98.022322
[27] Ilya G Ryabinkin, Tzu-Ching Yen, Scott N Genin og Artur F Izmaylov. "Qubit-koblet klyngemetode: en systematisk tilgang til kvantekemi på en kvantecomputer". Journal of Chemical Theory and Computation 14, 6317–6326 (2018).
https:///doi.org/10.1021/acs.jctc.8b00932
[28] Yuta Matsuzawa og Yuki Kurashige. "Dekomponering af Jastrow-typen i kvantekemi for kvantekredsløb med lav dybde". Journal of Chemical Theory and Computation 16, 944–952 (2020).
https:///doi.org/10.1021/acs.jctc.9b00963
[29] Juan Miguel Arrazola, Soran Jahangiri, Alain Delgado, Jack Ceroni, Josh Izaac, Antal Száva, Utkarsh Azad, Robert A Lang, Zeyue Niu, Olivia Di Matteo, et al. "Differentierbar kvanteberegningskemi med PennyLane" (2021). url: doi.org/10.48550/arXiv.2111.09967.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.2111.09967
[30] Scott Aaronson, Daniel Grier og Luke Schaeffer. "Klassificeringen af reversible bitoperationer" (2015). url: doi.org/10.48550/arXiv.1504.05155.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1504.05155
[31] Michael Reck, Anton Zeilinger, Herbert J Bernstein og Philip Bertani. "Eksperimentel realisering af enhver diskret enhedsoperatør". Physical Review Letters 73, 58 (1994).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.73.58
[32] William R Clements, Peter C Humphreys, Benjamin J Metcalf, W Steven Kolthammer og Ian A Walmsley. "Optimalt design til universelle multiport interferometre". Optica 3, 1460-1465 (2016).
https:///doi.org/10.1364/OPTICA.3.001460
[33] Hubert de Guise, Olivia Di Matteo og Luis L Sánchez-Soto. "Simpel faktorisering af enhedstransformationer". Fysisk anmeldelse A 97, 022328 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.97.022328
[34] Mikko Möttönen, Juha J Vartiainen, Ville Bergholm og Martti M Salomaa. "Transformation af kvantetilstande ved hjælp af ensartet kontrollerede rotationer". Quantum Information & Computation 5, 467–473 (2005).
https:///doi.org/10.26421/QIC5.6-5
[35] Jakob S Kottmann, Abhinav Anand og Alán Aspuru-Guzik. "En gennemførlig tilgang til automatisk differentierbar unitary coupled-cluster på kvantecomputere". Kemividenskab (2021).
https:///doi.org/10.1039/D0SC06627C
[36] Andrea Mari, Thomas R Bromley og Nathan Killoran. "Estimering af gradienten og højere ordens derivater på kvantehardware". Physical Review A 103, 012405 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.103.012405
Citeret af
[1] Kaining Zhang, Min-Hsiu Hsieh, Liu Liu og Dacheng Tao, "Gaussiske initialiseringer hjælper dybe variationskvantekredsløb med at flygte fra det golde plateau", arXiv: 2203.09376.
[2] Abhinav Anand, Philipp Schleich, Sumner Alperin-Lea, Phillip WK Jensen, Sukin Sim, Manuel Díaz-Tinoco, Jakob S. Kottmann, Matthias Degroote, Artur F. Izmaylov og Alán Aspuru-Guzik, “A Quantum Computing View om Unitary Coupled Cluster Theory", arXiv: 2109.15176.
[3] Daniel Huerga, "Variational Quantum Simulation of Valence-Bond Solids", arXiv: 2201.02545.
[4] Juan Miguel Arrazola, Soran Jahangiri, Alain Delgado, Jack Ceroni, Josh Izaac, Antal Száva, Utkarsh Azad, Robert A. Lang, Zeyue Niu, Olivia Di Matteo, Romain Moyard, Jay Soni, Maria Schuld, Rodrigo A. Vargas -Hernández, Teresa Tamayo-Mendoza, Cedric Yen-Yu Lin, Alán Aspuru-Guzik og Nathan Killoran, "Differentierbar kvanteberegningskemi med PennyLane", arXiv: 2111.09967.
[5] Luogen Xu, Joseph T. Lee og JK Freericks, "Dekomponering af højrangs faktoriserede unitary coupled-cluster-operatorer ved hjælp af ancilla- og multiqubit-kontrollerede modparter med lav rang", Fysisk anmeldelse A 105 1, 012406 (2022).
[6] Michael A. Jones, Harish J. Vallury, Charles D. Hill og Lloyd CL Hollenberg, "Kemi hinsides Hartree-Fock energien via kvanteberegnede øjeblikke", Scientific Reports 12, 8985 (2022).
[7] Vlad Gheorghiu, Michele Mosca og Priyanka Mukhopadhyay, "T-tal og T-dybde af enhver multi-qubit unitary", arXiv: 2110.10292.
[8] Davide Castaldo, Soran Jahangiri, Alain Delgado og Stefano Corni, "Kvantesimulering af molekyler i opløsning", arXiv: 2111.13458.
[9] I. Stetcu, A. Baroni og J. Carlson, "Variationelle tilgange til at konstruere den nukleare grundtilstand med mange legeme til kvanteberegning", Fysisk gennemgang C 105 6, 064308 (2022).
[10] Mohammad Haidar, Marko J. Rančić, Thomas Ayral, Yvon Maday og Jean-Philip Piquemal, "Open Source Variational Quantum Eigensolver Extension of the Quantum Learning Machine (QLM) for Quantum Chemistry", arXiv: 2206.08798.
Ovenstående citater er fra SAO/NASA ADS (sidst opdateret 2022-07-17 17:46:28). 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 2022-07-17 17:46:27).
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.
