Un algoritm cuantic bazat pe circuit complet pentru stări excitate în chimia cuantică

Un algoritm cuantic bazat pe circuit complet pentru stări excitate în chimia cuantică

Marca temporală: 4 ianuarie 2024 9:05
Nodul sursă: 3046391

Jingwei Wen1,2, Zhengan Wang3, Chitong Chen4,5, Junxiang Xiao1, Hang Li3, Ling Qian2, Zhiguo Huang2, Heng Fan3,4, Shijie Wei3și Guilu Long1,3,6,7

1Laboratorul cheie de stat de fizică cuantică de dimensiuni joase și departamentul de fizică, Universitatea Tsinghua, Beijing 100084, China
2China Mobile (Suzhou) Software Technology Company Limited, Suzhou 215163, China
3Beijing Academy of Quantum Information Sciences, Beijing 100193, China
4Institutul de Fizică, Academia Chineză de Științe, Beijing 100190, China
5Școala de Științe Fizice, Universitatea din Academia Chineză de Științe, Beijing 100190, China
6Frontier Science Center for Quantum Information, Beijing 100084, China
7Centrul Național de Cercetare din Beijing pentru Știința și Tehnologia Informației, Beijing 100084, China

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

Abstract

Utilizarea computerului cuantic pentru a investiga chimia cuantică este un domeniu de cercetare important în zilele noastre. Pe lângă problemele legate de starea fundamentală care au fost studiate pe scară largă, determinarea stărilor excitate joacă un rol crucial în predicția și modelarea reacțiilor chimice și a altor procese fizice. Aici, propunem un algoritm cuantic nevariațional bazat pe circuit complet pentru obținerea spectrului de stare excitată a unui Hamiltonian de chimie cuantică. În comparație cu algoritmii variaționali hibridi clasic-cuanți anteriori, metoda noastră elimină procesul clasic de optimizare, reduce costul resurselor cauzat de interacțiunea dintre diferite sisteme și realizează o rată de convergență mai rapidă și o robustețe mai puternică împotriva zgomotului fără platou steril. Actualizarea parametrilor pentru determinarea următorului nivel de energie depinde în mod natural de ieșirile de măsurare a energiei ale nivelului de energie anterior și poate fi realizată doar prin modificarea procesului de pregătire a stării sistemului auxiliar, introducând puțină resursă suplimentară. Sunt prezentate simulări numerice ale algoritmului cu molecule de hidrogen, LiH, H2O și NH3. În plus, oferim o demonstrație experimentală a algoritmului pe o platformă de calcul cuantică supraconductivă, iar rezultatele arată o concordanță bună cu așteptările teoretice. Algoritmul poate fi aplicat pe scară largă la diferite probleme de determinare a spectrului hamiltonian pe calculatoarele cuantice tolerante la erori.

Imagine prezentată: Circuit cuantic pentru realizarea algoritmului FQESS.

Rezumat popular

Propunem un algoritm complet cuantic excited-state solver (FQESS) pentru determinarea spectrului de chimie Hamiltonian eficient și constant pentru calcularea cuantică cu toleranță la erori în viitor. În comparație cu algoritmii variaționali hibridi clasic-cuanți, metoda noastră elimină procesul de optimizare din calculatoarele clasice, iar actualizarea parametrilor pentru diferite niveluri de energie poate fi realizată pur și simplu prin modificarea procesului de pregătire a stării sistemului auxiliar pe baza măsurării energiei anterioare. nivel, care este prietenos din punct de vedere experimental. Mai mult, natura nevariațională poate asigura că algoritmul converge către stările țintă de-a lungul direcției celei mai rapide coborâri a gradientului, evitând fenomenul de platou steril. Munca noastră completează ultimul pas al rezolvării problemelor de chimie cuantică bazate pe diferite cadre de algoritm.

► Date BibTeX

► Referințe

[1] Paul Benioff. Calculatorul ca sistem fizic: un model microscopic cuantic mecanic hamiltonian de calculatoare, așa cum este reprezentat de mașini de turing. Journal of statistical physics, 22 (5): 563–591, 1980. 10.1007/​BF01011339.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01011339

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

[3] Peter W Shor. Algoritmi în timp polinomial pentru factorizarea prime și logaritmi discreti pe un computer cuantic. Revizuirea SIAM, 41 (2): 303–332, 1999. 10.1137/​S0036144598347011.
https: / / doi.org/ 10.1137 / S0036144598347011

[4] Iubitor K Grover. Mecanica cuantică ajută la căutarea unui ac într-un car de fân. 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 și Li Niu. Potrivirea fazelor în căutarea cuantică. 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 și Seth Lloyd. Algoritm cuantic pentru sisteme liniare de ecuații. Scrisori de revizuire fizică, 103 (15): 150502, 2009. 10.1103/​PhysRevLett.103.150502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502

[7] Yiğit Subaşı, Rolando D Somma și Davide Orsucci. Algoritmi cuantici pentru sisteme de ecuații liniare inspirate de calculul cuantic adiabatic. Scrisori de revizuire fizică, 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 și colab. Chimia cuantică în era calculului cuantic. 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 și Xiao Yuan. Chimie computațională cuantică. 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 și Garnet Kin-Lic Chan. Algoritmi cuantici pentru chimia cuantică și știința materialelor cuantice. 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 și Jeremy L O'brien. Un rezolvator de valori proprii variaționale pe un procesor cuantic fotonic. 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 și colab. Simulare cuantică scalabilă a energiilor moleculare. 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 și Jay M Gambetta. Eigensolver cuantic variațional eficient din punct de vedere hardware pentru molecule mici și magneți cuantici. 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 Cicio și colab. Algoritmi cuantici variaționali. Nature Reviews Physics, paginile 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 și TE O'Brien. Reducerea erorilor la costuri reduse prin verificarea simetriei. 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 și Nicholas J Mayhall. Un algoritm variațional adaptiv pentru simulări moleculare exacte pe un computer cuantic. Nature communications, 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 și Sophia E Economou. qubit-adapt-vqe: Un algoritm adaptiv pentru construirea unui ansätze eficient din punct de vedere hardware pe un procesor cuantic. PRX Quantum, 2 (2): 020310, 2021. 10.1103/​PRXQuantum.2.020310.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020310

[18] Mateusz Ostaszewski, Edward Grant și Marcello Benedetti. Optimizarea structurii pentru circuite cuantice parametrizate. 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 și GuiLu Long. Un eigensolver cuantic complet pentru simulări de chimie cuantică. Cercetare, 2020, 2020. 10.34133/​2020/​1486935.
https: / / doi.org/ 10.34133 / 2020/1486935

[20] Patrick Rebentrost, Maria Schuld, Leonard Wossnig, Francesco Petruccione și Seth Lloyd. Coborârea gradientului cuantic și metoda lui Newton pentru optimizarea polinomială constrânsă. 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 și Stephen Brierley. Calcul cuantic variațional al stărilor excitate. 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 și Simon C Benjamin. Algoritmi cuantici variaționali pentru descoperirea spectrelor hamiltoniene. 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 și Keisuke Fujii. Soluție proprie cuantică variațională de căutare subspațială pentru stări excitate. 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 și Todd J Martínez. Calculul cuantic al tranzițiilor electronice folosind o soluție proprie cuantică variațională. Scrisori de revizuire fizică, 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 și Wibe A De Jong. Ierarhie hibridă cuantică-clasică pentru atenuarea decoerenței și determinarea stărilor excitate. 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 și Irfan Siddiqi. Calculul spectrelor moleculare pe un procesor cuantic cu un algoritm rezistent la erori. 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 și Mark Kostuk. O metodă de determinare a stărilor excitate pentru calculul cuantic. 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 și Ivano Tavernelli. Ecuația cuantică a mișcării pentru calcularea energiilor de excitație moleculară pe un procesor cuantic zgomotos. 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 și Tao Yin. Rezolvatori proprii cuantici variaționali prin minimizarea varianței. 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 și Lucas Visscher. Cuplări și gradienți analitici non-adiabatici în soluția proprie cuantică variațională optimizată pe orbital cu o medie de stare. Journal of chemical theory and calculation, 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 și Gui-Lu Long. Deflație variațională cuantică pentru stări excitate arbitrare. Inginerie cuantică, pagina e80, 2021. 10.1002/​que2.80.
https://​/​doi.org/​10.1002/​que2.80

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

[33] Serghei B Bravyi și Alexei Yu Kitaev. Calcul cuantic fermionic. Annals of Physics, 298 (1): 210–226, 2002. 10.1006/​aphy.2002.6254.
https: / / doi.org/ 10.1006 / aphy.2002.6254

[34] Long Gui-Lu. Principiul general al interferenței cuantice și computerul dualității. 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 și Liu Yang. Dualitatea de calcul în calculatoarele cuantice. 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 și Wang Chuan. Porți cuantice generalizate permise. 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 și Nathan Wiebe. Simulare hamiltoniană folosind combinații liniare de operații unitare. 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 și Guilu Long. Demonstrarea experimentală a unei simulări cuantice digitale a unui sistem $mathcal{PT}$simetric general. 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 și Guilu Long. Observarea fluxului de informații în sistemul anti-$mathcal{PT}$-simetric cu spini nucleari. 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 și Yang Sun. Schemă eficientă de inițializare a unui registru cuantic cu o stare arbitrară suprapusă. 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 și Lorenzo Maccone. Memorie cu acces aleator cuantic. Scrisori de recenzie fizică, 100 (16): 160501, 2008. 10.1103 / PhysRevLett.100.160501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.100.160501

[42] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca și Alain Tapp. Amplificarea și estimarea amplitudinii cuantice. 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 și Rolando D Somma. Simulând dinamica hamiltoniană cu o serie Taylor trunchiată. Scrisori de revizuire fizică, 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 și Gui-Lu Long. Simularea cuantică a canalelor cuantice în rezonanța magnetică nucleară. 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 și Gui-Lu Long. Simulare eficientă a canalului cuantic universal în computerul cuantic cloud al ibm. 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 Koscorreck, Brice Dubost, Naeimeh Behbood, RJ Sewell și Morgan W Mitchell. Metrologia cuantică bazată pe interacțiune care arată scalarea dincolo de limita Heisenberg. Nature, 471 (7339): 486–489, 2011. 10.1038/​nature09778.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09778

[47] Informații detaliate despre platforma cloud Quafu pot fi găsite pe site-ul web, github și document.
http://​/​quafu.baqis.ac.cn/​

[48] Jiangfeng Du, Nanyang Xu, Xinhua Peng, Pengfei Wang, Sanfeng Wu și Dawei Lu. Implementarea Nmr a unei simulări cuantice de hidrogen molecular cu pregătirea stării adiabatice. Scrisori de revizuire fizică, 104 (3): 030502, 2010. 10.1103/​PhysRevLett.104.030502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.030502

[49] Maysum Panju. Metode iterative pentru calcularea valorilor proprii și vectorilor proprii. arXiv preprint arXiv:1105.1185, 2011. 10.48550/​arXiv.1105.1185.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1105.1185
arXiv: 1105.1185

Citat de

[1] Jingwei Wen, Chao Zheng, Zhiguo Huang și Ling Qian, „Simularea cuantică digitală fără iterații a evoluției în timp imaginar bazată pe expansiunea unitară aproximativă”, EPL (Europhysics Letters) 141 6, 68001 (2023).

[2] Bozhi Wang, Jingwei Wen, Jiawei Wu, Haonan Xie, Fan Yang, Shijie Wei și Gui-lu Long, „A powered full quantum eigensolver for energy band structures”, arXiv: 2308.03134, (2023).

[3] Jin-Min Liang, Qiao-Qiao Lv, Shu-Qian Shen, Ming Li, Zhi-Xi Wang și Shao-Ming Fei, „Algoritm cuantic iterativ îmbunătățit pentru pregătirea stării fundamentale”, arXiv: 2210.08454, (2022).

[4] Xin Yi, Jia-Cheng Huo, Yong-Pan Gao, Ling Fan, Ru Zhang și Cong Cao, „Algoritm cuantic iterativ pentru optimizarea combinatorie bazată pe coborârea gradientului cuantic”, Rezultate în fizică 56, 107204 (2024).

Citatele de mai sus sunt din ADS SAO / NASA (ultima actualizare cu succes 2024-01-04 14:13:50). Lista poate fi incompletă, deoarece nu toți editorii furnizează date de citare adecvate și complete.

Nu a putut să aducă Date citate încrucișate în ultima încercare 2024-01-04 14:13:48: Nu s-au putut prelua date citate pentru 10.22331 / q-2024-01-04-1219 de la Crossref. Acest lucru este normal dacă DOI a fost înregistrat recent.

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