Täielik vooluahelapõhine kvantalgoritm ergastatud olekute jaoks kvantkeemias

Täielik vooluahelapõhine kvantalgoritm ergastatud olekute jaoks kvantkeemias

Allikasõlm: 3046391

Jingwei Wen1,2, Zhengan Wang3, Chitong Chen4,5, Junxiang Xiao1, Hang Li3, Ling Qian2, Zhiguo Huang2, Heng Fan3,4, Shijie Wei3ja Guilu Long1,3,6,7

1Madalamõõtmelise kvantfüüsika riiklik võtmelabor ja füüsika osakond, Tsinghua ülikool, Peking 100084, Hiina
2China Mobile (Suzhou) Software Technology Company Limited, Suzhou 215163, Hiina
3Pekingi kvantinfoteaduste akadeemia, Peking 100193, Hiina
4Füüsikainstituut, Hiina Teaduste Akadeemia, Peking 100190, Hiina
5Hiina Teaduste Akadeemia Ülikooli füüsikateaduste kool, Peking 100190, Hiina
6Kvantinformatsiooni piiriteaduse keskus, Peking 100084, Hiina
7Pekingi riiklik infoteaduse ja -tehnoloogia uurimiskeskus, Peking 100084, Hiina

Kas see artikkel on huvitav või soovite arutada? Scite või jätke SciRate'i kommentaar.

Abstraktne

Kvantarvuti kasutamine kvantkeemia uurimiseks on tänapäeval oluline uurimisvaldkond. Lisaks laialdaselt uuritud põhiseisundi probleemidele on ergastatud olekute määramisel oluline roll keemiliste reaktsioonide ja muude füüsikaliste protsesside ennustamisel ja modelleerimisel. Siin pakume välja mittevariatsioonilise täisahelapõhise kvantalgoritmi kvantkeemia Hamiltoni ergastatud oleku spektri saamiseks. Võrreldes varasemate klassikalise-kvanthübriidsete variatsioonialgoritmidega, välistab meie meetod klassikalise optimeerimisprotsessi, vähendab erinevate süsteemide interaktsioonist põhjustatud ressursikulusid ning saavutab kiirema lähenemiskiiruse ja tugevama mürakindluse ilma viljatu platoota. Järgmise energiataseme määramise parameetrite uuendamine on loomulikult sõltuv eelmise energiataseme energia mõõtmise väljunditest ja seda saab realiseerida ainult kõrvalsüsteemi oleku ettevalmistamise protsessi muutmise teel, mis toob kaasa vähe täiendavaid ressursse. Esitatakse algoritmi numbrilised simulatsioonid vesiniku, LiH, H2O ja NH3 molekulidega. Lisaks pakume ülijuhtival kvantarvutusplatvormil algoritmi eksperimentaalset demonstratsiooni ja tulemused näitavad head vastavust teoreetiliste ootustega. Algoritmi saab laialdaselt rakendada erinevatel Hamiltoni spektri määramise probleemidel tõrketaluvetes kvantarvutites.

Pakume välja täieliku kvantergastatud oleku lahendaja (FQESS) algoritmi Hamiltoni keemia spektri tõhusaks ja püsivaks määramiseks tulevase tõrketaluva kvantarvutuse jaoks. Võrreldes klassikaliste-kvanthübriidsete variatsioonialgoritmidega eemaldab meie meetod klassikalistes arvutites optimeerimisprotsessi ja erinevate energiatasemete parameetrite värskendamist saab lihtsalt realiseerida, muutes abisüsteemi oleku ettevalmistamise protsessi eelmise energia mõõtmise põhjal. tasemel, mis on eksperimentaalselt sõbralik. Lisaks võib mittevariatsiooniline olemus tagada, et algoritm läheneb sihtolekutele kiireima gradiendi laskumise suunas, vältides viljatu platoo nähtust. Meie töö täidab erinevatel algoritmiraamidel põhinevate kvantkeemia probleemide lahendamise viimase etapi.

► BibTeX-i andmed

► Viited

[1] Paul Benioff. Arvuti kui füüsiline süsteem: arvutite mikroskoopiline kvantmehaaniline Hamiltoni mudel, mida kujutavad Turingi masinad. Journal of Statistical Physics, 22 (5): 563–591, 1980. 10.1007/BF01011339.
https://​/​doi.org/​10.1007/​BF01011339

[2] Richard P Feynman. Füüsika simuleerimine arvutitega. Int J Theor Phys, 21 (1): 467–488, 1982. 10.1007/BF02650179.
https://​/​doi.org/​10.1007/​BF02650179

[3] Peter W Shor. Polünoomaja algoritmid algfaktoriseerimiseks ja diskreetsete logaritmide jaoks kvantarvutis. SIAM ülevaade, 41 (2): 303–332, 1999. 10.1137/​S0036144598347011.
https://​/​doi.org/​10.1137/​S0036144598347011

[4] Lov K Grover. Kvantmehaanika aitab heinakuhjast nõela otsida. Physical Review letters, 79 (2): 325, 1997. 10.1103/​PhysRevLett.79.325.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.79.325

[5] Gui Lu Long, Yan Song Li, Wei Lin Zhang ja Li Niu. Faasi sobitamine kvantotsingus. Physics Letters A, 262 (1): 27–34, 1999. 10.1016/​S0375-9601(99)00631-3.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(99)00631-3

[6] Aram W Harrow, Avinatan Hassidim ja Seth Lloyd. Lineaarsete võrrandisüsteemide kvantalgoritm. Physical Review letters, 103 (15): 150502, 2009. 10.1103/​PhysRevLett.103.150502.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.103.150502

[7] Yiğit Subaşı, Rolando D Somma ja Davide Orsucci. Adiabaatilisest kvantarvutusest inspireeritud lineaarvõrrandisüsteemide kvantalgoritmid. Füüsilise ülevaate kirjad, 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 Kivlichan, Tim Menke, Borja Peropadre, Nicolas PD Sawaya jt. Kvantkeemia kvantarvutite ajastul. Chemical Reviews, 119 (19): 10856–10915, 2019. 10.1021/acs.chemrev.8b00803.
https://​/​doi.org/​10.1021/​acs.chemrev.8b00803

[9] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C Benjamin ja Xiao Yuan. Kvantarvutuskeemia. Reviews of Modern Physics, 92 (1): 015003, 2020. 10.1103/​RevModPhys.92.015003.
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.92.015003

[10] Bela Bauer, Sergey Bravyi, Mario Motta ja Garnet Kin-Lic Chan. Kvantkeemia ja kvantmaterjaliteaduse kvantalgoritmid. Chemical Reviews, 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 ja Jeremy L O'brien. Variatsiooniline omaväärtuse lahendaja fotoonilisel kvantprotsessoril. Looduskommunikatsioonid, 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 jt. Molekulaarenergiate skaleeritav kvantsimulatsioon. Physical Review 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 ja Jay M Gambetta. Riistvarasäästlik variatsiooniline kvantomalahendaja väikeste molekulide ja kvantmagnetite jaoks. Nature, 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 jt. Variatsioonilised kvantalgoritmid. Nature Reviews Physics, lk 1–20, 2021. 10.1038/​s42254-021-00348-9.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00348-9

[15] Xavi Bonet-Monroig, Ramiro Sagastizabal, M Singh ja TE O'Brien. Madala hinnaga vigade leevendamine sümmeetriakontrolli abil. Physical Review A, 98 (6): 062339, 2018. 10.1103/​PhysRevA.98.062339.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.98.062339

[16] Harper R Grimsley, Sophia E Economou, Edwin Barnes ja Nicholas J Mayhall. Adaptiivne variatsioonialgoritm täpsete molekulaarsete simulatsioonide jaoks kvantarvutis. Looduskommunikatsioonid, 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 ja Sophia E Economou. qubit-adapt-vqe: adaptiivne algoritm riistvaratõhusa ansätze konstrueerimiseks kvantprotsessoris. PRX Quantum, 2 (2): 020310, 2021. 10.1103 / PRXQuantum.2.020310.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.020310

[18] Mateusz Ostaszewski, Edward Grant ja Marcello Benedetti. Struktuuri optimeerimine parameetritega kvantahelate jaoks. Quantum, 5: 391, 2021. 10.22331/q-2021-01-28-391.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-28-391

[19] Shijie Wei, Hang Li ja GuiLu Long. Täielik kvantomalahendaja kvantkeemia simulatsioonide jaoks. Uuring, 2020, 2020. 10.34133/​2020/​1486935.
https://​/​doi.org/​10.34133/​2020/​1486935

[20] Patrick Rebentrost, Maria Schuld, Leonard Wossnig, Francesco Petruccione ja Seth Lloyd. Kvantgradiendi laskumine ja Newtoni meetod piiratud polünoomi optimeerimiseks. New Journal of Physics, 21 (7): 073023, 2019. 10.1088/​1367-2630/​ab2a9e.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab2a9e

[21] Oscar Higgott, Daochen Wang ja Stephen Brierley. Ergastatud olekute variatsiooniline kvantarvutus. Quantum, 3: 156, 2019. 10.22331/q-2019-07-01-156.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-07-01-156

[22] Tyson Jones, Suguru Endo, Sam McArdle, Xiao Yuan ja Simon C Benjamin. Variatsioonilised kvantalgoritmid Hamiltoni spektrite avastamiseks. Physical Review A, 99 (6): 062304, 2019. 10.1103/​PhysRevA.99.062304.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.99.062304

[23] Ken M Nakanishi, Kosuke Mitarai ja Keisuke Fujii. Alamruumiotsingu variatsiooniline kvantomalahendaja ergastatud olekute jaoks. Physical Review Research, 1 (3): 033062, 2019. 10.1103/​PhysRevResearch.1.033062.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.1.033062

[24] Robert M Parrish, Edward G Hohenstein, Peter L McMahon ja Todd J Martínez. Elektrooniliste üleminekute kvantarvutus variatsioonilise kvantomalahendaja abil. Füüsilise ülevaate kirjad, 122 (23): 230401, 2019. 10.1103/​PhysRevLett.122.230401.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.122.230401

[25] Jarrod R McClean, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jonathan Carter ja Wibe A De Jong. Hübriidne kvantklassikaline hierarhia dekoherentsi leevendamiseks ja ergastatud olekute määramiseks. Physical Review A, 95 (4): 042308, 2017. 10.1103/​PhysRevA.95.042308.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.95.042308

[26] James I Colless, Vinay V Ramasesh, Dar Dahlen, Machiel S Blok, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jarrod R McClean, Jonathan Carter, Wibe A de Jong ja Irfan Siddiqi. Molekulaarspektrite arvutamine kvantprotsessoril veakindla algoritmiga. Physical Review X, 8 (1): 011021, 2018. 10.1103/​PhysRevX.8.011021.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.8.011021

[27] Pejman Jouzdani, Stefan Bringuier ja Mark Kostuk. Meetod ergastatud olekute määramiseks kvantarvutuse jaoks. arXiv eeltrükk arXiv:1908.05238, 2019. 10.48550/arXiv.1908.05238.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1908.05238
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 ja Ivano Tavernelli. Liikumise kvantvõrrand mürarikkal kvantprotsessoril molekulaarsete ergastusenergiate arvutamiseks. Physical Review Research, 2 (4): 043140, 2020. 10.1103/​PhysRevResearch.2.043140.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.2.043140

[29] Dan-Bo Zhang, Bin-Lin Chen, Zhan-Hao Yuan ja Tao Yin. Variatsioonilised kvantomalahendajad dispersiooni minimeerimise teel. Hiina füüsika B, 31 (12): 120301, 2022. 10.1088/1674-1056/ac8a8d.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1674-1056/​ac8a8d

[30] Saad Yalouz, Emiel Koridon, Bruno Senjean, Benjamin Lasorne, Francesco Buda ja Lucas Visscher. Analüütilised mittediabaatilised sidemed ja gradiendid olekukeskmise orbitaal-optimeeritud variatsioonilise kvantomalahendis. Journal of Chemical Theory and Computation, 18 (2): 776–794, 2022. 10.1021/acs.jctc.1c00995.
https://​/​doi.org/​10.1021/​acs.jctc.1c00995

[31] Jingwei Wen, Dingshun Lv, Man-Hong Yung ja Gui-Lu Long. Variatsiooniline kvantpakendatud deflatsioon suvaliste ergastatud olekute jaoks. Quantum Engineering, lk e80, 2021. 10.1002/​que2.80.
https://​/​doi.org/​10.1002/​que2.80

[32] Pascual Jordan ja Eugene Paul Wigner. über das paulische äquivalenzverbot. Väljaandes The Collected Works of Eugene Paul Wigner, lk 109–129. Springer, 1993. 10.1007/​978-3-662-02781-3_9.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-662-02781-3_9

[33] Sergei B Bravyi ja Aleksei Yu Kitaev. Fermioonne kvantarvutus. Annals of Physics, 298 (1): 210–226, 2002. 10.1006/​aphy.2002.6254.
https://​/​doi.org/​10.1006/​aphy.2002.6254

[34] Pikk Gui-Lu. Üldine kvanthäirete põhimõte ja duaalsusarvuti. Communications in Theoretical Physics, 45 (5): 825, 2006. 10.1088/​0253-6102/​45/​5/​013.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0253-6102/​45/​5/​013

[35] Long Gui-Lu ja Liu Yang. Duaalsusarvutus kvantarvutites. Communications in Theoretical Physics, 50 (6): 1303, 2008. 10.1088/​0253-6102/​50/​6/​11.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0253-6102/​50/​6/​11

[36] Long Gui-Lu, Liu Yang ja Wang Chuan. Lubatud üldistatud kvantväravad. Communications in Theoretical Physics, 51 (1): 65, 2009. 10.1088/​0253-6102/​51/​1/​13.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0253-6102/​51/​1/​13

[37] Andrew M Childs ja Nathan Wiebe. Hamiltoni simulatsioon unitaartehte lineaarsete kombinatsioonide abil. arXiv eeltrükk arXiv:1202.5822, 2012. 10.48550/arXiv.1202.5822.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1202.5822
arXiv: 1202.5822

[38] Jingwei Wen, Chao Zheng, Xiangyu Kong, Shijie Wei, Tao Xin ja Guilu Long. Üldise $mathcal{PT}$-sümmeetrilise süsteemi digitaalse kvantsimulatsiooni eksperimentaalne demonstratsioon. Physical Review A, 99 (6): 062122, 2019. 10.1103/​PhysRevA.99.062122.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.99.062122

[39] Jingwei Wen, Guoqing Qin, Chao Zheng, Shijie Wei, Xiangyu Kong, Tao Xin ja Guilu Long. Infovoo jälgimine tuumaspinnidega anti-$mathcal{PT}$-sümmeetrilises süsteemis. npj Quantum Information, 6 (1): 1–7, 2020. 10.1038/​s41534-020-0258-4.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0258-4

[40] Gui-Lu Long ja Yang Sun. Tõhus skeem kvantregistri initsialiseerimiseks suvalise superponeeritud olekuga. Physical Review A, 64 (1): 014303, 2001. 10.1103/​PhysRevA.64.014303.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.64.014303

[41] Vittorio Giovannetti, Seth Lloyd ja Lorenzo Maccone. Kvant-muutmälu. Füüsilise ülevaate kirjad, 100 (16): 160501, 2008. 10.1103/​PhysRevLett.100.160501.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.100.160501

[42] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca ja Alain Tapp. Kvantamplituudi võimendamine ja hindamine. Kaasaegne matemaatika, 305: 53–74, 2002. 10.1090/​conm/​305/​05215.
https://​/​doi.org/​10.1090/​conm/​305/​05215

[43] Dominic W Berry, Andrew M Childs, Richard Cleve, Robin Kothari ja Rolando D Somma. Hamiltoni dünaamika simuleerimine kärbitud taylori seeriaga. Füüsilise ülevaate kirjad, 114 (9): 090502, 2015. 10.1103/​PhysRevLett.114.090502.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.114.090502

[44] Tao Xin, Shi-Jie Wei, Julen S Pedernales, Enrique Solano ja Gui-Lu Long. Tuumamagnetresonantsi kvantkanalite kvantsimulatsioon. Physical Review A, 96 (6): 062303, 2017. 10.1103/​PhysRevA.96.062303.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.96.062303

[45] Shi-Jie Wei, Tao Xin ja Gui-Lu Long. Tõhus universaalse kvantkanali simulatsioon ibm-i pilvekvantarvutis. Science China Physics, Mechanics & Astronomy, 61 (7): 1–10, 2018. 10.1007/​s11433-017-9181-9.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11433-017-9181-9

[46] Mario Napolitano, Marco Koschorreck, Brice Dubost, Naeimeh Behbood, RJ Sewell ja Morgan W Mitchell. Interaktsioonipõhine kvantmetroloogia, mis näitab skaleerimist üle Heisenbergi piiri. Nature, 471 (7339): 486–489, 2011. 10.1038/nature09778.
https://​/​doi.org/​10.1038/​nature09778

[47] Üksikasjalikku teavet Quafu pilveplatvormi kohta leiate veebisaidilt, githubist ja dokumendist.
http://​quafu.baqis.ac.cn/​

[48] Jiangfeng Du, Nanyang Xu, Xinhua Peng, Pengfei Wang, Sanfeng Wu ja Dawei Lu. Molekulaarse vesiniku kvantsimulatsiooni Nmr rakendamine adiabaatilise oleku ettevalmistamisega. Füüsilise ülevaate kirjad, 104 (3): 030502, 2010. 10.1103/​PhysRevLett.104.030502.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.104.030502

[49] Maysum Panju. Iteratiivsed meetodid omaväärtuste ja omavektorite arvutamiseks. arXiv eeltrükk arXiv:1105.1185, 2011. 10.48550/arXiv.1105.1185.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1105.1185
arXiv: 1105.1185

Viidatud

[1] Jingwei Wen, Chao Zheng, Zhiguo Huang ja Ling Qian, "Iteratsioonivaba kujuteldava aja evolutsiooni digitaalne kvantsimulatsioon, mis põhineb ligikaudsel ühtsel paisumisel", EPL (Europhysics Letters) 141 6, 68001 (2023).

[2] Bozhi Wang, Jingwei Wen, Jiawei Wu, Haonan Xie, Fan Yang, Shijie Wei ja Gui-lu Long, „Toitega täiskvant-omalahendaja energiaribade struktuuride jaoks”, arXiv: 2308.03134, (2023).

[3] Jin-Min Liang, Qiao-Qiao Lv, Shu-Qian Shen, Ming Li, Zhi-Xi Wang ja Shao-Ming Fei, „Täiustatud iteratiivne kvantalgoritm põhiseisundi ettevalmistamiseks”, arXiv: 2210.08454, (2022).

[4] Xin Yi, Jia-Cheng Huo, Yong-Pan Gao, Ling Fan, Ru Zhang ja Cong Cao, "Iteratiivne kvantalgoritm kombinatoorseks optimeerimiseks, mis põhineb kvantgradienti laskumisel", Tulemused füüsikas 56, 107204 (2024).

Ülaltoodud tsitaadid on pärit SAO/NASA KUULUTUSED (viimati edukalt värskendatud 2024-01-04 14:13:50). Loend võib olla puudulik, kuna mitte kõik väljaandjad ei esita sobivaid ja täielikke viiteandmeid.

Ei saanud tuua Ristviide viidatud andmete alusel viimase katse ajal 2024-01-04 14:13:48: 10.22331/q-2024-01-04-1219 viidatud andmeid ei saanud Crossrefist tuua. See on normaalne, kui DOI registreeriti hiljuti.

Ajatempel:

Veel alates Quantum Journal