Täysi piiriin perustuva kvanttialgoritmi viritystiloihin kvanttikemiassa

Täysi piiriin perustuva kvanttialgoritmi viritystiloihin kvanttikemiassa

Aikaleima: 4. tammikuuta 2024 9
Lähdesolmu: 3046391

Jingwei Wen1,2, Zhengan Wang3, Chitong Chen4,5, Junxiang Xiao1, Hang Li3, Ling Qian2, Zhiguo Huang2, Heng Fan3,4, Shijie Wei3, ja Guilu Long1,3,6,7

1State Key Laboratory of Low-Dimensional Quantum Physics ja Fysiikan laitos, Tsinghuan yliopisto, Peking 100084, Kiina
2China Mobile (Suzhou) Software Technology Company Limited, Suzhou 215163, Kiina
3Beijing Academy of Quantum Information Sciences, Peking 100193, Kiina
4Fysiikan instituutti, Kiinan tiedeakatemia, Peking 100190, Kiina
5Fysikaalisten tieteiden laitos, Kiinan tiedeakatemian yliopisto, Peking 100190, Kiina
6Frontier Science Center for Quantum Information, Beijing 100084, Kiina
7Beijing National Research Center for Information Science and Technology, Peking 100084, Kiina

Onko tämä artikkeli mielenkiintoinen vai haluatko keskustella? Scite tai jätä kommentti SciRate.

Abstrakti

Kvanttitietokoneen käyttö kvanttikemian tutkimiseen on nykyään tärkeä tutkimusala. Laajasti tutkittujen perustilaongelmien lisäksi viritystilojen määrittäminen on ratkaisevassa roolissa kemiallisten reaktioiden ja muiden fysikaalisten prosessien ennustamisessa ja mallintamisessa. Tässä ehdotamme ei-variaatiota täyden piiriin perustuvaa kvanttialgoritmia kvanttikemian Hamiltonin viritystilan spektrin saamiseksi. Aiempiin klassis-kvanttihybridivariaatioalgoritmeihin verrattuna menetelmämme eliminoi klassisen optimointiprosessin, vähentää eri järjestelmien välisen vuorovaikutuksen aiheuttamia resurssikustannuksia ja saavuttaa nopeamman konvergenssinopeuden ja vahvemman kestävyyden melua vastaan ​​ilman karua tasannetta. Parametripäivitys seuraavan energiatason määrittämiseksi on luonnollisesti riippuvainen edellisen energiatason energianmittaustuloista ja se voidaan toteuttaa vain muuttamalla apujärjestelmän tilan valmisteluprosessia, mikä tuo vain vähän lisäresursseja. Algoritmin numeeriset simulaatiot vedy-, LiH-, H2O- ja NH3-molekyyleillä esitetään. Lisäksi tarjoamme kokeellisen esittelyn algoritmista suprajohtavalla kvanttilaskenta-alustalla, ja tulokset osoittavat hyvää yhtäpitävyyttä teoreettisten odotusten kanssa. Algoritmia voidaan soveltaa laajasti erilaisiin Hamiltonin spektrin määritysongelmiin vikasietoisissa kvanttitietokoneissa.

Suositeltu kuva: Kvanttipiiri FQESS-algoritmin toteuttamiseen.

Suosittu yhteenveto

Ehdotamme täyden kvanttiviritystilan ratkaisijan (FQESS) -algoritmia kemian Hamiltonin spektrin määrittämiseksi tehokkaasti ja tasaisesti tulevaisuuden vikasietoisia kvanttilaskentaa varten. Verrattuna klassis-kvanttihybridivariaatioalgoritmeihin menetelmämme poistaa optimointiprosessin klassisissa tietokoneissa ja parametrien päivitys eri energiatasoille voidaan toteuttaa yksinkertaisesti muuttamalla apujärjestelmän tilanvalmistusprosessia aikaisemman energian mittaukseen perustuen. taso, joka on kokeellisesti ystävällinen. Lisäksi ei-variatiivinen luonne voi varmistaa, että algoritmi konvergoi kohdetiloihin nopeimman gradientin laskeutumisen suunnassa välttäen karua tasankoilmiötä. Työmme täyttää viimeisen vaiheen kvanttikemian ongelmien ratkaisemisessa erilaisiin algoritmikehykseen perustuen.

► BibTeX-tiedot

► Viitteet

[1] Paul Benioff. Tietokone fyysisenä järjestelmänä: Tietokoneiden mikroskooppinen kvanttimekaaninen Hamiltonin malli turing-koneilla. Journal of Statistical physics, 22 (5): 563–591, 1980. 10.1007/BF01011339.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01011339

[2] Richard P Feynman. Fysiikan simulointi tietokoneilla. Int J Theor Phys, 21 (1): 467–488, 1982. 10.1007/BF02650179.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02650179

[3] Peter W Shor. Polynomiaikaiset algoritmit alkutekijöiden jakoa ja diskreettejä logaritmeja varten kvanttitietokoneella. SIAM Review, 41 (2): 303–332, 1999. 10.1137/​S0036144598347011.
https: / / doi.org/ 10.1137 / S0036144598347011

[4] Lov K Grover. Kvanttimekaniikka auttaa etsimään neulaa heinäsuovasta. Fyysisen tarkastelun kirjeet, 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. Vaiheiden täsmäys kvanttihaussa. 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. Kvanttialgoritmi lineaarisille yhtälöjärjestelmille. 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. Kvanttialgoritmit lineaarisille yhtälöjärjestelmille adiabaattisen kvanttilaskennan innoittamana. Fyysiset katsastuskirjeet, 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 jne. Kvanttikemia kvanttilaskennan aikakaudella. 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. Kvanttilaskennallinen kemia. 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. Kvanttialgoritmit kvanttikemiaan ja kvanttimateriaalitieteeseen. 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. Vaihteleva ominaisarvon ratkaisija fotonisessa kvanttiprosessorissa. Nature communications, 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, et ai. Skaalautuva molekyylienergioiden kvanttisimulaatio. Fyysinen katsaus 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. Laitteistotehokas vaihteleva kvanttiominaisratkaisija pienille molekyyleille ja kvanttimagneeteille. 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 jne. Variaatiokvanttialgoritmit. Nature Reviews Physics, sivut 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. Edullinen virheiden lieventäminen symmetriavarmennuksella. 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. Mukautuva variaatioalgoritmi tarkkoja molekyylisimulaatioita varten kvanttitietokoneella. Luontoviestintä, 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: Mukautuva algoritmi laitteistotehokkaan ansätzen rakentamiseen kvanttiprosessorilla. 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. Rakenteen optimointi parametroiduille kvanttipiireille. 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. Täydellinen kvanttiominaisratkaisija kvanttikemian simulaatioihin. Tutkimus, 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. Kvanttigradienttilasku ja Newtonin menetelmä rajoitettuun polynomin optimointiin. 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. Virittyneiden tilojen variaatiokvanttilaskenta. 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. Variaatiokvanttialgoritmit hamiltonin spektrien löytämiseksi. Fyysinen tarkistus 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. Aliavaruuden haun variaatiokvanttiominaisratkaisija virittyneille tiloille. 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. Elektronisten siirtymien kvanttilaskenta variaatiokvanttiominaisratkaisijalla. Fyysiset katsastuskirjeet, 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. Hybridi-kvanttiklassinen hierarkia dekoherenssin lieventämiseen ja virittyneiden tilojen määrittämiseen. 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. Molekyylispektrien laskenta kvanttiprosessorilla virheenkestävällä algoritmilla. 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. Menetelmä virittyneiden tilojen määrittämiseksi kvanttilaskennassa. arXiv preprint 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. Kvanttiliikeyhtälö molekyylien viritysenergioiden laskemiseen kohinaisella kvanttiprosessorilla. 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. Variaatiokvanttiominaisratkaisijat varianssin minimoinnin avulla. Chinese Physics 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. Analyyttiset nonadiabaattiset kytkennät ja gradientit tilakeskiarvoistetussa kiertoradalle optimoidussa variaatiokvanttiominaisratkaisussa. 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. Vaihteleva kvanttipaketti deflaatio mielivaltaisille viritetyille tiloille. Quantum Engineering, sivu e80, 2021. 10.1002/​que2.80.
https://​/​doi.org/​10.1002/​que2.80

[32] Pascual Jordan ja Eugene Paul Wigner. über das paulische äquivalenzverbot. Teoksessa The Collected Works of Eugene Paul Wigner, sivut 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. Fermioninen kvanttilaskenta. Annals of Physics, 298 (1): 210–226, 2002. 10.1006/​aphy.2002.6254.
https: / / doi.org/ 10.1006 / aphy.2002.6254

[34] Pitkä Gui-Lu. Yleinen kvanttihäiriöperiaate ja kaksinaisuustietokone. 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. Kaksinaisuuslaskenta kvanttitietokoneissa. 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. Sallitut yleistyneet kvanttiportit. 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. Hamiltonin simulointi unitaaristen operaatioiden lineaarisilla yhdistelmillä. arXiv preprint 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. Kokeellinen esittely yleisen $mathcal{PT}$-symmetrisen järjestelmän digitaalisesta kvanttisimulaannista. 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. Tietovirran havainnointi anti-$mathcal{PT}$-symmetrisessä järjestelmässä ydinspinien kanssa. 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. Tehokas menetelmä kvanttirekisterin alustamiseksi mielivaltaisella superponoidulla tilassa. 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. Quantum -hajamuisti. Fyysiset tarkastelukirjeet, 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. Kvanttien amplitudivahvistus ja estimointi. Contemporary Mathematics, 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. Simuloi Hamiltonin dynamiikkaa katkaistulla taylor-sarjalla. Physical Review letters, 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. Kvanttikanavien kvanttisimulaatio ydinmagneettisessa resonanssissa. 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. Tehokas universaali kvanttikanavasimulaatio ibm:n pilvikvanttitietokoneessa. 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. Vuorovaikutukseen perustuva kvanttimetrologia, joka näyttää skaalautumisen Heisenbergin rajan yli. Nature, 471 (7339): 486–489, 2011. 10.1038/nature09778.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09778

[47] Yksityiskohtaiset tiedot Quafu-pilvialustaan ​​löytyvät verkkosivustolta, githubista ja asiakirjasta.
http://​/​quafu.baqis.ac.cn/​

[48] Jiangfeng Du, Nanyang Xu, Xinhua Peng, Pengfei Wang, Sanfeng Wu ja Dawei Lu. Molekyylivedyn kvanttisimulaation Nmr-toteutus adiabaattisen tilan valmistelulla. Physical Review letters, 104 (3): 030502, 2010. 10.1103/​PhysRevLett.104.030502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.030502

[49] Maysum Panju. Iteratiiviset menetelmät ominaisarvojen ja ominaisvektorien laskemiseen. arXiv preprint arXiv:1105.1185, 2011. 10.48550/arXiv.1105.1185.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1105.1185
arXiv: 1105.1185

Viitattu

[1] Jingwei Wen, Chao Zheng, Zhiguo Huang ja Ling Qian, "Iteraatioton digitaalinen kvanttisimulaatio kuvitteellisen ajan kehityksestä, joka perustuu likimääräiseen yhtenäiseen laajenemiseen", EPL (Europhysics Letters) 141 6, 68001 (2023).

[2] Bozhi Wang, Jingwei Wen, Jiawei Wu, Haonan Xie, Fan Yang, Shijie Wei ja Gui-lu Long, "Tehollinen täysi kvanttiominaisratkaisija energiakaistarakenteille", arXiv: 2308.03134, (2023).

[3] Jin-Min Liang, Qiao-Qiao Lv, Shu-Qian Shen, Ming Li, Zhi-Xi Wang ja Shao-Ming Fei, "Parannettu iteratiivinen kvanttialgoritmi maatilan valmisteluun", arXiv: 2210.08454, (2022).

[4] Xin Yi, Jia-Cheng Huo, Yong-Pan Gao, Ling Fan, Ru Zhang ja Cong Cao, "Iteratiivinen kvanttialgoritmi kombinatoriseen optimointiin, joka perustuu kvanttigradientin laskeutumiseen", Tulokset in Physics 56, 107204 (2024).

Yllä olevat sitaatit ovat peräisin SAO: n ja NASA: n mainokset (viimeksi päivitetty onnistuneesti 2024-01-04 14:13:50). Lista voi olla puutteellinen, koska kaikki julkaisijat eivät tarjoa sopivia ja täydellisiä viittaustietoja.

Ei voitu noutaa Crossref siteeratut tiedot viimeisen yrityksen aikana 2024-01-04 14:13:48: Ei voitu noutaa viittauksia 10.22331 / q-2024-01-04-1219 mainittuihin tietoihin Crossrefiltä. Tämä on normaalia, jos DOI rekisteröitiin äskettäin.

Tämä kirja on julkaistu Quantum - lehdessä Creative Commons Nimeäminen 4.0 Kansainvälinen (CC BY 4.0) lisenssin. Tekijänoikeudet säilyvät alkuperäisillä tekijänoikeuksien haltijoilla, kuten tekijöillä tai heidän instituutioillaan.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Quantum Journal