Algoritmi cuantici pentru evoluția variațională a timpului bazată pe grilă

Algoritmi cuantici pentru evoluția variațională a timpului bazată pe grilă

Marca temporală: 12 octombrie 2023 12:20
Nodul sursă: 2932348

Pauline J Ollitrault1, Sven Jandura1, Alexander Miessen1, Irene Burghardt2, Rocco Martinazzo3,4, Francesco Tacchino1și Ivano Tavernelli1

1IBM Quantum, IBM Research – Zurich, Säumerstrasse 4, 8803 Rüschlikon, Elveția
2Institutul de Chimie Fizică și Teoretică, Universitatea Goethe din Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 7, D-60438 Frankfurt/Main, Germania
3Departamentul de Chimie, Università degli Studi di Milano, Via Golgi 19, 20133 Milano, Italia
4Istituto di Scienze e Tecnologie Chimiche „Giulio Natta”, CNR, Via Golgi 19, 20133 Milano, Italia

Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.

Abstract

Simularea dinamicii cuantice necesită algoritmi cuantici care funcționează în primele codificări cuantificate ale grilei. Aici, propunem un algoritm cuantic variațional pentru efectuarea dinamicii cuantice în prima cuantizare. Pe lângă reducerea obișnuită a adâncimii circuitului conferită de abordările variaționale, acest algoritm se bucură și de câteva avantaje în comparație cu cele propuse anterior. De exemplu, abordările variaționale suferă de necesitatea unui număr mare de măsurători. Cu toate acestea, codificarea în grilă a primilor hamiltonieni cuantificați necesită doar măsurarea în baze de poziție și impuls, indiferent de dimensiunea sistemului. Combinația lor cu abordări variaționale este, prin urmare, deosebit de atractivă. Mai mult decât atât, formele variaționale euristice pot fi folosite pentru a depăși limitarea descompunerii dure a Hamiltonienilor primii cuantificați Trotterizati în porți cuantice. Aplicăm acest algoritm cuantic la dinamica mai multor sisteme în una și două dimensiuni. Simulările noastre prezintă instabilitățile numerice observate anterior ale abordărilor de propagare variațională în timp. Arătăm cum pot fi atenuate semnificativ prin diagonalizarea subspațială cu costul unei porți suplimentare $mathcal{O}(MN^2)$ de 2 qubiți unde $M$ este numărul de dimensiuni și $N^M$ este totalul numărul de puncte ale grilei.

► Date BibTeX

► Referințe

[1] Roland Lindh și Leticia González. „Chimia cuantică și dinamica stărilor excitate: metode și aplicații”. John Wiley & Sons. (2020).
https: / / doi.org/ 10.1002 / 9781119417774

[2] Fabien Gatti, Benjamin Lasorne, Hans-Dieter Meyer și André Nauts. „Aplicații ale dinamicii cuantice în chimie”. Volumul 98. Springer. (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-319-53923-2

[3] Hans-Dieter Meyer, Fabien Gatti și Graham A Worth. „Dinamica cuantică multidimensională: teoria și aplicațiile Mctdh”. John Wiley & Sons. (2009).
https: / / doi.org/ 10.1002 / 9783527627400

[4] Basile FE Curchod și Todd J Martínez. „Dinamica moleculară cuantică ab initio nonadiabatică”. Chemical Reviews 118, 3305–3336 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.7b00423

[5] Fabien Gatti. „Dinamica cuantică moleculară: de la teorie la aplicații”. Springer. (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-45290-1

[6] Niels Kristian Madsen, Mads Bøttger Hansen, Graham A Worth și Ove Christiansen. „Mr-mctdh [n]: spații de configurare flexibile și dinamică nonadiabatică în cadrul mctdh [n]”. 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 și Todd J Martínez. „Dinamica nonadiabatică a cis-stilbenului fotoexcitat folosind depunerea multiplă ab initio”. Jurnalul de chimie fizică B 124, 5476–5487 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acs.jpcb.0c03344

[8] Richard P Feynman. „Simularea fizicii cu computerele”. Jurnalul Internaţional de Fizică Teoretică 21 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1007 / bf02650179

[9] Francesco Tacchino, Alessandro Chiesa, Stefano Carretta și Dario Gerace. „Calculatoarele cuantice ca simulatoare cuantice universale: stadiul tehnicii și perspective”. Advanced Quantum Technologies 3, 1900052 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1002 / qute.201900052

[10] Alexander Miessen, Pauline J Ollitrault, Francesco Tacchino și Ivano Tavernelli. „Algoritmi cuantici pentru dinamica cuantică”. Nature Computational Science 3, 25–37 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s43588-022-00374-2

[11] Stephen Wiesner. „Simulări ale sistemelor cuantice cu mai multe corpuri de către un computer cuantic” (1996). arXiv:quant-ph/​9603028.
arXiv: Quant-ph / 9603028

[12] Christof Zalka. „Simularea sistemelor cuantice pe un computer cuantic”. Proceedings of the Royal Society of London. Seria A: Științe matematice, fizice și inginerie 454, 313–322 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.1998.0162

[13] Fan Yale. „Simularea cuantică a dinamicii simple a mai multor corpuri”. International Journal of Quantum Information 10, 1250049 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0219749912500499

[14] Giuliano Benenti și Giuliano Strini. „Simularea cuantică a ecuației Schrödinger cu o singură particule”. Jurnalul American de Fizică 76, 657–662 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1119 / 1.2894532

[15] Rolando D Somma. „Simulări cuantice ale sistemelor cuantice unidimensionale” (2015). arXiv:1503.06319v2.
arXiv: 1503.06319v2

[16] M Ostrowski. „Simularea cuantică a efectului de tunel”. Buletinul Academiei Poloneze de Științe. Științe tehnice 63, 379–383 (2015).
https://​/​doi.org/​10.1515/​bpasts-2015-0042

[17] Alexandru Macridin, Panagiotis Spentzouris, James Amundson și Roni Harnik. „Sisteme electron-fono pe un computer cuantic universal”. Physical Review Letters 121, 110504 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.110504

[18] Pauline J. Ollitrault, Guglielmo Mazzola și Ivano Tavernelli. „Dinamica cuantică moleculară nonadiabatică cu calculatoare cuantice”. Fiz. Rev. Lett. 125, 260511 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.260511

[19] Pauline J. Ollitrault, Alexander Miessen și Ivano Tavernelli. „Dinamica cuantică moleculară: o perspectivă a calculului cuantic”. Accounts of Chemical Research 54, 4229–4238 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acs.accounts.1c00514

[20] Dominic W Berry, Graeme Ahokas, Richard Cleve și Barry C Sanders. „Algoritmi cuantici eficienți pentru simularea hamiltonienilor rare”. Communications in Mathematical Physics 270, 359–371 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s00220-006-0150-x

[21] Stefan Woerner și Daniel J Egger. „Analiza riscului cuantic”. npj Quantum Information 5, 1–8 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0130-6

[22] Thomas Häner, Martin Roetteler și Krysta M. Svore. „Optimizarea circuitelor cuantice pentru aritmetică” (2018). arXiv:1805.12445.
arXiv: 1805.12445

[23] Ivan Kassal, Stephen P Jordan, Peter J Love, Masoud Mohseni și Alán Aspuru-Guzik. „Algoritm cuantic în timp polinomial pentru simularea dinamicii chimice”. 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 și Simon C. Benjamin. „Metode bazate pe grilă pentru modelarea chimică pe un computer cuantic”. 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 și Yoshihisa Yamamoto. „Simulare mai rapidă a chimiei cuantice pe calculatoare cuantice tolerante la erori”. 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 și Simon C Benjamin. „Teoria simulării cuantice variaționale”. 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 Cicio și colab. „Algoritmi cuantici variaționali”. Nature Reviews Physics 3, 625–644 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00348-9

[28] Ying Li și Simon C Benjamin. „Simulator cuantic variațional eficient care încorporează minimizarea activă a erorilor”. Physical Review X 7, 021050 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021050

[29] Michael Lubasch, Jaewoo Joo, Pierre Moinier, Martin Kiffner și Dieter Jaksch. „Algoritmi cuantici variaționali pentru probleme neliniare”. Physical Review A 101, 010301 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.010301

[30] Alexandru Macridin, Andy CY Li, Stephen Mrenna și Panagiotis Spentzouris. „Digitalizarea câmpului bosonic pentru calculatoare cuantice”. 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 și Peter P. Orth. „Simulări adaptative de dinamică cuantică variațională”. 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 și Yong-Xin Yao. „Abordare adaptativă a evoluției în timp imaginar cuantic variațional pentru pregătirea stării fundamentale”. 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 și Xiao Yuan. „Simularea cuantică bazată pe ansatz variațional a evoluției timpului imaginar”. 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 și J Ignacio Cirac. „Geometria metodelor variaționale: dinamica sistemelor cuantice închise”. SciPost Physics 9 (2020).
https: / / doi.org/ 10.21468 / SciPostPhys.9.4.048

[35] Maria Schuld, Ville Bergholm, Christian Gogolin, Josh Izaac și Nathan Killoran. „Evaluarea gradienților analitici pe hardware-ul cuantic”. Fiz. Rev. A 99, 032331 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032331

[36] Uwe Manthe. „Dinamica moleculară cuantică cu pachete de undă”. Simulari cuantice ale sistemelor complexe cu mai multe corpuri: de la teorie la algoritmi, Note de curs.—Jülich: Institutul de calcul John von NeumannPagini 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 și Liang Shi. „Simularea cuantică variațională a dinamicii chimice cu calculatoare cuantice” (2021). arXiv:2110.06143.
arXiv: 2110.06143

[38] Alexander Miessen, Pauline J. Ollitrault și Ivano Tavernelli. „Algoritmi cuantici pentru dinamica cuantică: un studiu de performanță asupra modelului spin-boson”. Physical Review Research 3, 043212 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.043212

[39] Julien Gacon, Christa Zoufal, Giuseppe Carleo și Stefan Woerner. „Aproximație stocastică cu perturbații simultane a informațiilor cuantice Fisher”. Quantum 5, 567 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-10-20-567

[40] Stefano Barison, Filippo Vicentini și Giuseppe Carleo. „Un algoritm cuantic eficient pentru evoluția în timp a circuitelor parametrizate”. Quantum 5, 512 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-07-28-512

[41] Kosuke Mitarai, Masahiro Kitagawa și Keisuke Fujii. „Conversie cuantică analog-digitală”. Physical Review 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 și Travis E. Oliphant. „Programare matrice cu 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 și SciPy 1.0 Contributors. „SciPy 1.0: algoritmi fundamentali pentru calculul științific în 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 și Roger Colbeck. „Introducere în UniversalQCompiler” (2019). arXiv:1904.01072.
arXiv: 1904.01072

[45] Raban Iten, Roger Colbeck, Ivan Kukuljan, Jonathan Home și Matthias Christandl. „Circuite cuantice pentru izometrii”. Fiz. Rev. A 93, 032318 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.93.032318

[46] Sam McArdle, Suguru Endo, Alán Aspuru-Guzik, Simon C. Benjamin și Xiao Yuan. „Chimie computațională cuantică”. 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 și Raymond Laflamme. „Simularea fenomenelor fizice prin rețele cuantice”. Physical Review A 65, 042323 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.65.042323

[48] Rocco Martinazzo și Irene Burghardt. „Eroarea locală în timp în dinamica cuantică variațională”. 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, Ali Javadi-Abhari Kanazawa, Nao, 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 Taylor, 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 și Christa Zoufal. „Qiskit: Un cadru open-source pentru calculul cuantic” (2019).
https: / / doi.org/ 10.5281 / zenodo.2562111

Citat de

[1] Luca Cappelli, Francesco Tacchino, Giuseppe Murante, Stefano Borgani și Ivano Tavernelli, „From Vlasov-Poisson to Schrödinger-Poisson: dark matter simulation with a quantum variational time evolution algorithm”, arXiv: 2307.06032, (2023).

[2] Mostafizur Rahaman Laskar, Kalyan Dasgupta și 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 și Simon C. Benjamin, „Metode bazate pe grilă pentru simulări chimice pe un computer cuantic”, arXiv: 2202.05864, (2022).

[4] Christa Zoufal, David Sutter și Stefan Woerner, „Limite de eroare pentru evoluția cuantică a timpului variațional”, arXiv: 2108.00022, (2021).

[5] Taichi Kosugi, Hirofumi Nishi și Yuichiro Matsushita, „Căutare exhaustivă pentru geometrii moleculare optime folosind evoluția în timp imaginar pe un computer cuantic”, arXiv: 2210.09883, (2022).

[6] Daniel J. Egger, Chiara Capecci, Bibek Pokharel, Panagiotis Kl. Barkoutsos, Laurin E. Fischer, Leonardo Guidoni și Ivano Tavernelli, „Rezolvare proprie cuantică variațională cu puls pe hardware bazat pe rezonanță încrucișată”, Cercetare fizică de revizuire 5 3, 033159 (2023).

[7] Hans Hon Sang Chan, Richard Meister, Tyson Jones, David P. Tew și Simon C. Benjamin, „Metode bazate pe grilă pentru simulări chimice pe un computer cuantic”, Science Advances 9 9, eabo7484 (2023).

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

[9] Alistair Letcher, Stefan Woerner și Christa Zoufal, „From Tight Gradient Bounds for Parameterized Quantum Circuits to the Absence of Barren Plateaus in 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 și Fabijan Pavošević, „Toward Accurate Simulări moleculare Post-Born-Oppenheimer pe computere cuantice: un eigensolver variațional adaptiv cu orbitali naturali înghețați nuclear-electronici”, arXiv: 2310.01302, (2023).

Citatele de mai sus sunt din ADS SAO / NASA (ultima actualizare cu succes 2023-10-13 04:32:47). Lista poate fi incompletă, deoarece nu toți editorii furnizează date de citare adecvate și complete.

On Serviciul citat de Crossref nu s-au găsit date despre citarea lucrărilor (ultima încercare 2023-10-13 04:32:46).

Acest Lucru este publicat în Quantum sub Creative Commons Atribuire 4.0 internațională (CC BY 4.0) licență. Drepturile de autor rămân la deținătorii de drepturi de autor originale, precum autorii sau instituțiile lor.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Jurnalul cuantic