Полноценный квантовый алгоритм для возбужденных состояний в квантовой химии.

Полноценный квантовый алгоритм для возбужденных состояний в квантовой химии.

Отметка времени: 4 января 2024 г., 9:05
Исходный узел: 3046391

Цзинвэй Вэнь1,2, Чжэнгань Ван3, Читонг Чен4,5, Цзюньсян Сяо1, Ханг Ли3, Лин Цянь2, Чжиго Хуан2, Хэн Фан3,4, Шицзе Вэй3и Гуилу Лонг1,3,6,7

1Государственная ключевая лаборатория низкоразмерной квантовой физики и физический факультет Университета Цинхуа, Пекин 100084, Китай
2China Mobile (Suzhou) Software Technology Company Limited, Сучжоу 215163, Китай
3Пекинская академия квантовых информационных наук, Пекин 100193, Китай
4Институт физики Китайской академии наук, Пекин 100190, Китай
5Школа физических наук Университета Китайской академии наук, Пекин 100190, Китай
6Пограничный научный центр квантовой информации, Пекин 100084, Китай
7Пекинский национальный исследовательский центр информационных наук и технологий, Пекин 100084, Китай

Находите эту статью интересной или хотите обсудить? Scite или оставить комментарий на SciRate.

Абстрактные

Использование квантового компьютера для исследования квантовой химии в настоящее время является важной областью исследований. Помимо широко изученных проблем основного состояния, определение возбужденных состояний играет решающую роль в предсказании и моделировании химических реакций и других физических процессов. Здесь мы предлагаем невариационный квантовый алгоритм на основе полной схемы для получения спектра возбужденных состояний гамильтониана квантовой химии. По сравнению с предыдущими классически-квантовыми гибридными вариационными алгоритмами наш метод исключает классический процесс оптимизации, снижает затраты ресурсов, вызванные взаимодействием между различными системами, а также обеспечивает более высокую скорость сходимости и более высокую устойчивость к шуму без бесплодного плато. Обновление параметров для определения следующего уровня энергии, естественно, зависит от результатов измерения энергии предыдущего уровня энергии и может быть реализовано только путем изменения процесса подготовки состояния вспомогательной системы, вводящего небольшие дополнительные затраты ресурсов. Представлено численное моделирование алгоритма с молекулами водорода, LiH, H2O и NH3. Кроме того, мы предлагаем экспериментальную демонстрацию алгоритма на сверхпроводящей квантовой вычислительной платформе, и результаты показывают хорошее согласие с теоретическими ожиданиями. Алгоритм может широко применяться для решения различных задач определения спектра гамильтониана на отказоустойчивых квантовых компьютерах.

Рекомендованное изображение: Квантовая схема для реализации алгоритма FQESS.

Популярное резюме

Мы предлагаем алгоритм полного квантового решателя возбужденного состояния (FQESS) для эффективного и стабильного определения спектра химического гамильтониана для будущих отказоустойчивых квантовых вычислений. По сравнению с классическими квантовыми гибридными вариационными алгоритмами наш метод исключает процесс оптимизации в классических компьютерах, а обновление параметров для разных уровней энергии можно просто реализовать, изменив процесс подготовки состояния вспомогательной системы на основе измерения энергии предыдущих энергетических уровней. уровень, который является экспериментально дружественным. Более того, невариационный характер может гарантировать, что алгоритм сходится к целевым состояниям в направлении самого быстрого градиентного спуска, избегая явления бесплодного плато. Наша работа представляет собой последний этап решения задач квантовой химии на основе различных алгоритмов.

► Данные BibTeX

► Рекомендации

[1] Пол Бениофф. Компьютер как физическая система: микроскопическая квантовомеханическая гамильтонова модель компьютеров, представленная машинами Тьюринга. Журнал статистической физики, 22 (5): 563–591, 1980. 10.1007/​BF01011339.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01011339

[2] Ричард П. Фейнман. Моделирование физики с помощью компьютеров. Int J Theor Phys, 21 (1): 467–488, 1982. 10.1007/​BF02650179.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02650179

[3] Питер В. Шор. Алгоритмы полиномиального времени для факторизации простых чисел и дискретных логарифмов на квантовом компьютере. Обзор SIAM, 41 (2): 303–332, 1999. 10.1137/S0036144598347011.
https: / / doi.org/ 10.1137 / S0036144598347011

[4] Лов К Гровер. Квантовая механика помогает в поиске иголки в стоге сена. Письма физического обзора, 79 (2): 325, 1997. 10.1103 / PhysRevLett.79.325.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.79.325

[5] Гуй Лу Лонг, Ян Сун Ли, Вэй Линь Чжан и Ли Ню. Фазовый синхронизм в квантовом поиске. 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] Арам В. Харроу, Авинатан Хасидим и Сет Ллойд. Квантовый алгоритм для линейных систем уравнений. Письма с физическим обзором, 103 (15): 150502, 2009. 10.1103/​PhysRevLett.103.150502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502

[7] Йигит Субаши, Роландо Д Сомма и Давиде Орсуччи. Квантовые алгоритмы для систем линейных уравнений, вдохновленные адиабатическим квантовым вычислением. Письма о физической экспертизе, 122 (6): 060504, 2019. 10.1103/​PhysRevLett.122.060504.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.060504

[8] Юдонг Цао, Джонатан Ромеро, Джонатан Полсон, Матиас Дегроот, Питер Д. Джонсон, Мария Киферова, Ян Д. Кивличан, Тим Менке, Борха Перопадре, Николас П.Д. Савая и другие. Квантовая химия в век квантовых вычислений. Химические обзоры, 119 (19): 10856–10915, 2019. 10.1021 / acs.chemrev.8b00803.
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.8b00803

[9] Сэм МакАрдл, Сугуру Эндо, Алан Аспуру-Гузик, Саймон С. Бенджамин и Сяо Юань. Квантовая вычислительная химия. Обзоры современной физики, 92 (1): 015003, 2020. 10.1103/​RevModPhys.92.015003.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.015003

[10] Бела Бауэр, Сергей Бравый, Марио Мотта и Гранат Кин-Лик Чан. Квантовые алгоритмы для квантовой химии и квантового материаловедения. Chemical Reviews, 120 (22): 12685–12717, 2020. 10.1021 / acs.chemrev.9b00829.
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.9b00829

[11] Альберто Перуццо, Джаррод МакКлин, Питер Шадболт, Ман-Хонг Юнг, Сяо-Ци Чжоу, Питер Дж. Лав, Алан Аспуру-Гузик и Джереми Л. О'Брайен. Вариационный решатель собственных значений на фотонном квантовом процессоре. Nature Communications, 5 (1): 1–7, 2014. 10.1038/​ncomms5213.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213

[12] Питер Дж. Дж. О'Мэлли, Райан Бэббуш, Ян Д. Кивличан, Джонатан Ромеро, Джаррод Р. МакКлин, Рами Барендс, Джулиан Келли, Педрам Рушан, Эндрю Трантер, Нан Динг и др. Масштабируемое квантовое моделирование молекулярных энергий. Physical Review X, 6 (3): 031007, 2016. 10.1103 / PhysRevX.6.031007.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.031007

[13] Абхинав Кандала, Антонио Меццакапо, Кристан Темме, Майка Такита, Маркус Бринк, Джерри М. Чоу и Джей М. Гамбетта. Аппаратно-эффективный вариационный квантовый решатель для малых молекул и квантовых магнитов. Nature, 549 (7671): 242–246, 2017. 10.1038/​nature23879.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23879

[14] Марко Сересо, Эндрю Аррасмит, Райан Бэббуш, Саймон С. Бенджамин, Сугуру Эндо, Кейсуке Фуджи, Джаррод Р. МакКлин, Косуке Митараи, Сяо Юань, Лукаш Синсио и др. Вариационные квантовые алгоритмы. Nature Reviews Physics, страницы 1–20, 2021. 10.1038/s42254-021-00348-9.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00348-9

[15] Хави Бонет-Монроиг, Рамиро Сагастисабал, М. Сингх и Т. Э. О'Брайен. Недорогое устранение ошибок за счет проверки симметрии. Physical Review A, 98 (6): 062339, 2018. 10.1103 / PhysRevA.98.062339.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339

[16] Харпер Р. Гримсли, София Э. Эконому, Эдвин Барнс и Николас Дж. Мэйхолл. Адаптивный вариационный алгоритм для точного молекулярного моделирования на квантовом компьютере. Природные коммуникации, 10 (1): 1–9, 2019. 10.1038/​s41467-019-10988-2.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-019-10988-2

[17] Хо Лунь Тан, В.О. Школьников, Джордж С. Бэррон, Харпер Р. Гримсли, Николас Дж. Мэйхолл, Эдвин Барнс и София Э. Эконому. qubit-adapt-vqe: адаптивный алгоритм построения аппаратно-эффективного ответа на квантовом процессоре. PRX Quantum, 2 (2): 020310, 2021. 10.1103/​PRXQuantum.2.020310.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020310

[18] Матеуш Осташевский, Эдвард Грант и Марчелло Бенедетти. Оптимизация структуры параметризованных квантовых схем. Quantum, 5: 391, 2021. 10.22331/q-2021-01-28-391.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-28-391

[19] Шицзе Вэй, Ханг Ли и ГуйЛу Лун. Полный квантовый собственный решатель для моделирования квантовой химии. Исследования, 2020, 2020. 10.34133/​2020/​1486935.
https: / / doi.org/ 10.34133 / 2020/1486935

[20] Патрик Ребентрост, Мария Шульд, Леонард Воссниг, Франческо Петруччионе и Сет Ллойд. Квантовый градиентный спуск и метод Ньютона для полиномиальной оптимизации с ограничениями. Новый журнал физики, 21 (7): 073023, 2019. 10.1088/1367-2630/ab2a9e.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab2a9e

[21] Оскар Хигготт, Даочен Ван и Стивен Бриерли. Вариационный квантовый расчет возбужденных состояний. Квантум, 3: 156, 2019. 10.22331/q-2019-07-01-156.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-07-01-156

[22] Тайсон Джонс, Сугуру Эндо, Сэм Макардл, Сяо Юань и Саймон Бенджамин. Вариационные квантовые алгоритмы обнаружения гамильтоновых спектров. Physical Review A, 99 (6): 062304, 2019. 10.1103 / PhysRevA.99.062304.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062304

[23] Кен М. Наканиси, Косуке Митарай и Кейсуке Фуджи. Вариационный квантовый собственный решатель для поиска подпространств для возбужденных состояний. Physical Review Research, 1 (3): 033062, 2019. 10.1103/​PhysRevResearch.1.033062.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.1.033062

[24] Роберт М. Пэрриш, Эдвард Дж. Хоэнштайн, Питер Л. МакМахон и Тодд Дж. Мартинес. Квантовые вычисления электронных переходов с использованием вариационного квантового собственного решателя. Письма о физической экспертизе, 122 (23): 230401, 2019. 10.1103/​PhysRevLett.122.230401.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.230401

[25] Джаррод Р. МакКлин, Молли Э. Кимчи-Шварц, Джонатан Картер и Вайб А. Де Йонг. Гибридная квантово-классическая иерархия для уменьшения декогеренции и определения возбужденных состояний. Physical Review A, 95 (4): 042308, 2017. 10.1103/​PhysRevA.95.042308.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042308

[26] Джеймс I Коллесс, Винай В. Рамасеш, Дар Дален, Махиэль С. Блок, Молли Э. Кимчи-Шварц, Джаррод Р. МакКлин, Джонатан Картер, Вибе А де Йонг и Ирфан Сиддики. Расчет молекулярных спектров на квантовом процессоре с устойчивым к ошибкам алгоритмом. Physical Review X, 8 (1): 011021, 2018. 10.1103/​PhysRevX.8.011021.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.011021

[27] Пейман Жуздани, Стефан Брингье и Марк Костюк. Метод определения возбужденных состояний для квантовых вычислений. Препринт arXiv arXiv:1908.05238, 2019. 10.48550/​arXiv.1908.05238.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1908.05238
Arxiv: 1908.05238

[28] Полин Дж. Оллитро, Абхинав Кандала, Чун-Фу Чен, Панайотис Кл Баркуцос, Антонио Меццакапо, Марко Пистойя, Сара Шелдон, Стефан Вернер, Джей М. Гамбетта и Ивано Тавернелли. Квантовое уравнение движения для вычисления энергий молекулярного возбуждения на шумном квантовом процессоре. Physical Review Research, 2 (4): 043140, 2020. 10.1103/​PhysRevResearch.2.043140.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.043140

[29] Дань-Бо Чжан, Бинь-Лин Чен, Чжан-Хао Юань и Тао Инь. Вариационные квантовые собственные решатели путем минимизации дисперсии. Китайская физика B, 31 (12): 120301, 2022. 10.1088/1674-1056/ac8a8d.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1674-1056/​ac8a8d

[30] Саад Ялуз, Эмиэль Коридон, Бруно Сенжан, Бенджамин Ласорн, Франческо Буда и Лукас Вишер. Аналитические неадиабатические связи и градиенты в вариационном собственном квантовом решателе с усредненным по состоянию орбитально-оптимизированным решением. Журнал химической теории и вычислений, 18 (2): 776–794, 2022. 10.1021/​acs.jctc.1c00995.
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.1c00995

[31] Цзинвэй Вэнь, Диншунь Льв, Мань-Хун Юнг и Гуй-Лу Лун. Вариационная квантовая пакетная дефляция для произвольных возбужденных состояний. Квантовая инженерия, стр. e80, 2021. 10.1002/que2.80.
https://​/​doi.org/​10.1002/​que2.80

[32] Паскуаль Джордан и Юджин Пол Вигнер. über das paulische äquivalenzverbot. В Собрании сочинений Юджина Пола Вигнера, страницы 109–129. Спрингер, 1993. 10.1007/​978-3-662-02781-3_9.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-662-02781-3_9

[33] Сергей Б. Бравый и Алексей Ю. Китаев. Фермионные квантовые вычисления. Анналы физики, 298 (1): 210–226, 2002. 10.1006/​aphy.2002.6254.
https: / / doi.org/ 10.1006 / aphy.2002.6254

[34] Лонг Гуй-Лу. Общий принцип квантовой интерференции и компьютер дуальности. 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] Лун Гуй-Лу и Лю Ян. Дуальные вычисления в квантовых компьютерах. 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] Лун Гуй-Лу, Лю Ян и Ван Чуань. Допустимые обобщенные квантовые вентили. 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] Эндрю М. Чайлдс и Натан Вибе. Гамильтоновое моделирование с использованием линейных комбинаций унитарных операций. Препринт arXiv arXiv:1202.5822, 2012. 10.48550/​arXiv.1202.5822.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1202.5822
Arxiv: 1202.5822

[38] Цзинвэй Вэнь, Чао Чжэн, Сянъюй Конг, Шицзе Вэй, Тао Синь и Гуйлу Лун. Экспериментальная демонстрация цифрового квантового моделирования общей $mathcal{PT}$-симметричной системы. Physical Review A, 99 (6): 062122, 2019. 10.1103/​PhysRevA.99.062122.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062122

[39] Цзинвэй Вэнь, Гоцин Цинь, Чао Чжэн, Шицзе Вэй, Сянюй Конг, Тао Синь и Гуйлу Лун. Наблюдение потока информации в анти$mathcal{PT}$-симметричной системе с ядерными спинами. npj Quantum Information, 6 (1): 1–7, 2020. 10.1038/s41534-020-0258-4.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0258-4

[40] Гуй-Лу Лун и Ян Сун. Эффективная схема инициализации квантового регистра с произвольным наложенным состоянием. Physical Review A, 64 (1): 014303, 2001. 10.1103/​PhysRevA.64.014303.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.014303

[41] Витторио Джованнетти, Сет Ллойд и Лоренцо Макконе. Квантовая оперативная память. Письма с физическим обзором, 100 (16): 160501, 2008. 10.1103 / PhysRevLett.100.160501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.100.160501

[42] Жиль Брассар, Питер Хойер, Мишель Моска и Ален Тапп. Квантовое усиление и оценка амплитуды. Современная математика, 305: 53–74, 2002. 10.1090 / conm / 305/05215.
HTTPS: / / doi.org/ 10.1090 / conm / 305/05215

[43] Доминик В. Берри, Эндрю М. Чайлдс, Ричард Клив, Робин Котари и Роландо Д. Сомма. Моделирование гамильтоновой динамики с помощью усеченного ряда Тейлора. Письма о физическом обзоре, 114 (9): 090502, 2015. 10.1103/​PhysRevLett.114.090502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.090502

[44] Тао Синь, Ши-Цзе Вэй, Хулен С. Педерналес, Энрике Солано и Гуй-Лу Лонг. Квантовое моделирование квантовых каналов в ядерном магнитном резонансе. Physical Review A, 96 (6): 062303, 2017. 10.1103/​PhysRevA.96.062303.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.062303

[45] Ши-Цзе Вэй, Тао Синь и Гуй-Лу Лун. Эффективное моделирование универсального квантового канала в облачном квантовом компьютере 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] Марио Наполитано, Марко Кошоррек, Брайс Дюбост, Наиме Бехбуд, Р.Дж. Сьюэлл и Морган В. Митчелл. Квантовая метрология, основанная на взаимодействии, демонстрирующая масштабирование, выходящее за пределы предела Гейзенберга. Nature, 471 (7339): 486–489, 2011. 10.1038/​nature09778.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09778

[47] Подробную информацию об облачной платформе Quafu можно найти на веб-сайте, github и в документах.
http://quafu.baqis.ac.cn/​

[48] Цзянфэн Ду, Наньян Сюй, Синьхуа Пэн, Пэнфэй Ван, Саньфэн Ву и Давэй Лу. ЯМР-реализация квантового моделирования молекулярного водорода с подготовкой в ​​адиабатическом состоянии. Письма о физическом обзоре, 104 (3): 030502, 2010. 10.1103/​PhysRevLett.104.030502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.030502

[49] Майсум Панджу. Итерационные методы вычисления собственных значений и собственных векторов. Препринт arXiv arXiv:1105.1185, 2011. 10.48550/​arXiv.1105.1185.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1105.1185
Arxiv: 1105.1185

Цитируется

[1] Цзинвэй Вэнь, Чао Чжэн, Чжиго Хуан и Лин Цянь, «Безытерационная цифровая квантовая симуляция эволюции в мнимом времени на основе приближенного унитарного расширения», EPL (Письма Еврофизики) 141 6, 68001 (2023).

[2] Божи Ван, Цзинвэй Вэнь, Цзявэй Ву, Хаонань Се, Фань Ян, Шицзе Вэй и Гуй-лу Лонг, «Мощный полноквантовый собственный решатель для структур энергетических зон», Arxiv: 2308.03134, (2023).

[3] Цзинь-Мин Лян, Цяо-Цяо Лв, Шу-Цянь Шен, Мин Ли, Чжи-Си Ван и Шао-Мин Фей, «Улучшенный итеративный квантовый алгоритм для подготовки основного состояния», Arxiv: 2210.08454, (2022).

[4] Синь И, Цзя-Чэн Хо, Юн-Пань Гао, Лин Фань, Жу Чжан и Цун Цао, «Итеративный квантовый алгоритм для комбинаторной оптимизации на основе квантового градиентного спуска», Результаты по физике 56, 107204 (2024).

Приведенные цитаты из САО / НАСА ADS (последнее обновление успешно 2024-01-04 14:13:50). Список может быть неполным, поскольку не все издатели предоставляют подходящие и полные данные о цитировании.

Не удалось получить Перекрестная ссылка на данные во время последней попытки 2024-01-04 14:13:48: Не удалось получить цитируемые данные для 10.22331 / q-2024-01-04-1219 от Crossref. Это нормально, если DOI был зарегистрирован недавно.

Эта статья опубликована в Quantum под Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) лицензия. Авторское право остается за первоначальными правообладателями, такими как авторы или их учреждения.

Отметка времени:

Больше от Квантовый журнал