Kvantni algoritem, ki temelji na celotnem vezju, za vzbujena stanja v kvantni kemiji

Kvantni algoritem, ki temelji na celotnem vezju, za vzbujena stanja v kvantni kemiji

Časovni žig: 4. januar 2024 9
Izvorno vozlišče: 3046391

Jingwei Wen1,2, Zhengan Wang3, Chitong Chen4,5, Junxiang Xiao1, Hang Li3, Ling Qian2, Zhiguo Huang2, Heng Fan3,4, Shijie Wei3in Guilu Long1,3,6,7

1Državni ključni laboratorij nizkodimenzionalne kvantne fizike in oddelek za fiziko, Univerza Tsinghua, Peking 100084, Kitajska
2China Mobile (Suzhou) Software Technology Company Limited, Suzhou 215163, Kitajska
3Pekinška akademija kvantnih informacijskih znanosti, Peking 100193, Kitajska
4Inštitut za fiziko, Kitajska akademija znanosti, Peking 100190, Kitajska
5Šola za fizične vede, Univerza kitajske akademije znanosti, Peking 100190, Kitajska
6Frontier Science Center for Quantum Information, Peking 100084, Kitajska
7Pekinški nacionalni raziskovalni center za informacijsko znanost in tehnologijo, Peking 100084, Kitajska

Se vam zdi ta članek zanimiv ali želite razpravljati? Zaslišite ali pustite komentar na SciRate.

Minimalizem

Uporaba kvantnega računalnika za raziskovanje kvantne kemije je dandanes pomembno raziskovalno področje. Poleg težav z osnovnim stanjem, ki so bile obsežno raziskane, ima določanje vzbujenih stanj ključno vlogo pri napovedovanju in modeliranju kemijskih reakcij in drugih fizikalnih procesov. Tukaj predlagamo nevariacijski kvantni algoritem, ki temelji na polnem vezju, za pridobitev spektra vzbujenega stanja hamiltoniana kvantne kemije. V primerjavi s prejšnjimi klasično-kvantnimi hibridnimi variacijskimi algoritmi naša metoda odpravlja klasični postopek optimizacije, zmanjšuje stroške virov, ki jih povzroča interakcija med različnimi sistemi, in dosega hitrejšo stopnjo konvergence in večjo robustnost proti hrupu brez neplodnega platoja. Posodabljanje parametrov za določitev naslednjega energetskega nivoja je seveda odvisno od izhodov meritev energije prejšnjega energijskega nivoja in ga je mogoče izvesti samo s spreminjanjem postopka priprave stanja pomožnega sistema, pri čemer se uvedejo majhni dodatni stroški virov. Predstavljene so numerične simulacije algoritma z molekulami vodika, LiH, H2O in NH3. Poleg tega ponujamo eksperimentalno predstavitev algoritma na superprevodni kvantni računalniški platformi, rezultati pa se dobro ujemajo s teoretičnimi pričakovanji. Algoritem je mogoče široko uporabiti pri različnih problemih določanja Hamiltonovega spektra na kvantnih računalnikih, odpornih na napake.

Predstavljena slika: Kvantno vezje za realizacijo algoritma FQESS.

Priljubljen povzetek

Predlagamo algoritem popolnega kvantnega reševalca vzbujenega stanja (FQESS) za učinkovito in enakomerno določanje spektra kemijskega Hamiltoniana za prihodnje kvantno računanje, odporno na napake. V primerjavi s klasično-kvantnimi hibridnimi variacijskimi algoritmi naša metoda odstrani postopek optimizacije v klasičnih računalnikih, posodabljanje parametrov za različne energijske nivoje pa je mogoče preprosto realizirati s spreminjanjem postopka priprave stanja pomožnega sistema na podlagi merjenja energije prejšnjih energijsko- ravni, ki je eksperimentalno prijazna. Poleg tega lahko nevariacijska narava zagotovi, da algoritem konvergira v ciljna stanja vzdolž smeri najhitrejšega gradientnega spusta, pri čemer se izogne ​​pojavu neplodnega platoja. Naše delo zapolnjuje zadnji korak reševanja problemov kvantne kemije na podlagi različnih algoritmskih okvirjev.

► BibTeX podatki

► Reference

[1] Paul Benioff. Računalnik kot fizični sistem: mikroskopski kvantnomehanski hamiltonov model računalnikov, kot ga predstavljajo Turingovi stroji. Journal of statistic physics, 22 (5): 563–591, 1980. 10.1007/​BF01011339.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01011339

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

[3] Peter W Šor. Polinomski časovni algoritmi za prafaktorizacijo in diskretne logaritme na kvantnem računalniku. Pregled SIAM, 41 (2): 303–332, 1999. 10.1137/​S0036144598347011.
https: / / doi.org/ 10.1137 / S0036144598347011

[4] Lov K Grover. Kvantna mehanika pomaga pri iskanju igle v senenem nahodu. Pisma o fizičnem pregledu, 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 in Li Niu. Fazno ujemanje v kvantnem iskanju. 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 in Seth Lloyd. Kvantni algoritem za linearne sisteme enačb. 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 in Davide Orsucci. Kvantni algoritmi za sisteme linearnih enačb po navdihu adiabatnega kvantnega računalništva. Pisma fizičnega pregleda, 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, et al. Kvantna kemija v dobi kvantnega računalništva. Kemijski pregledi, 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 in Xiao Yuan. Kvantna računalniška kemija. 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 in Garnet Kin-Lic Chan. Kvantni algoritmi za kvantno kemijo in kvantno znanost o materialih. 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 in Jeremy L O'brien. Variacijski reševalec lastnih vrednosti na fotonskem kvantnem procesorju. 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 idr. Razširljiva kvantna simulacija molekulskih energij. 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 in Jay M Gambetta. Strojno učinkovit variacijski kvantni lastni reševalec za majhne molekule in kvantne magnete. Narava, 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, et al. Variacijski kvantni algoritmi. Nature Reviews Physics, strani 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 in TE O'Brien. Poceni zmanjševanje napak s preverjanjem simetrije. 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 in Nicholas J Mayhall. Prilagodljiv variacijski algoritem za natančne molekularne simulacije na kvantnem računalniku. 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 in Sophia E Economou. qubit-adapt-vqe: Prilagodljiv algoritem za izdelavo strojno učinkovitih ansätze na kvantnem procesorju. PRX Quantum, 2 (2): 020310, 2021. 10.1103/PRXQuantum.2.020310.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020310

[18] Mateusz Ostaszewski, Edward Grant in Marcello Benedetti. Optimizacija strukture za parametrizirana kvantna vezja. 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 in GuiLu Long. Popoln kvantni lastni reševalec za simulacije kvantne kemije. Raziskave, 2020, 2020. 10.34133/​2020/​1486935.
https: / / doi.org/ 10.34133 / 2020/1486935

[20] Patrick Rebentrost, Maria Schuld, Leonard Wossnig, Francesco Petruccione in Seth Lloyd. Kvantni gradientni spust in Newtonova metoda za omejeno polinomsko optimizacijo. 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 in Stephen Brierley. Variacijsko kvantno računanje vzbujenih stanj. 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 in Simon C Benjamin. Variacijski kvantni algoritmi za odkrivanje hamiltonovih spektrov. 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 in Keisuke Fujii. Variacijski kvantni lastni reševalec za iskanje podprostora za vzbujena stanja. 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 in Todd J Martínez. Kvantno računanje elektronskih prehodov z uporabo variacijskega kvantnega lastnega reševalca. Pisma fizičnega pregleda, 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 in Wibe A De Jong. Hibridna kvantno-klasična hierarhija za ublažitev dekoherence in določanje vzbujenih stanj. 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 in Irfan Siddiqi. Računanje molekularnih spektrov na kvantnem procesorju z algoritmom, odpornim na napake. 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 in Mark Kostuk. Metoda določanja vzbujenih stanj za kvantno računanje. arXiv prednatis 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 in Ivano Tavernelli. Kvantna enačba gibanja za računanje energij molekularnega vzbujanja na hrupnem kvantnem procesorju. 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 in Tao Yin. Variacijski kvantni lastni reševalci z minimizacijo variance. Kitajska fizika 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 in Lucas Visscher. Analitične neadiabatske sklopitve in gradienti znotraj orbitalno optimiziranega variacijskega kvantnega lastnega reševalca s povprečnim stanjem. 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 in Gui-Lu Long. Variacijska kvantna pakirana deflacija za poljubna vzbujena stanja. Kvantno inženirstvo, stran e80, 2021. 10.1002/​que2.80.
https://​/​doi.org/​10.1002/​que2.80

[32] Pascual Jordan in Eugene Paul Wigner. über das paulische äquivalenzverbot. V Zbranih delih Eugena Paula Wignerja, strani 109–129. Springer, 1993. 10.1007/978-3-662-02781-3_9.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-662-02781-3_9

[33] Sergey B Bravyi in Alexei Yu Kitaev. Fermionsko kvantno računanje. Annals of Physics, 298 (1): 210–226, 2002. 10.1006/​aphy.2002.6254.
https: / / doi.org/ 10.1006 / aphy.2002.6254

[34] Dolgi Gui-Lu. Splošno načelo kvantne interference in dvojni računalnik. 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 in Liu Yang. Dualno računalništvo v kvantnih računalnikih. 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 in Wang Chuan. Dovoljena generalizirana kvantna vrata. 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 in Nathan Wiebe. Hamiltonova simulacija z uporabo linearnih kombinacij enotnih operacij. arXiv prednatis 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 in Guilu Long. Eksperimentalni prikaz digitalne kvantne simulacije splošnega $mathcal{PT}$-simetričnega sistema. 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 in Guilu Long. Opazovanje pretoka informacij v anti-$mathcal{PT}$-simetričnem sistemu z jedrskimi vrtljaji. npj Kvantne informacije, 6 (1): 1–7, 2020. 10.1038/​s41534-020-0258-4.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0258-4

[40] Gui-Lu Long in Yang Sun. Učinkovita shema za inicializacijo kvantnega registra s poljubnim superponiranim stanjem. 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 in Lorenzo Maccone. Kvantni pomnilnik z naključnim dostopom. Fizični pregledni dopisi, 100 (16): 160501, 2008. 10.1103/PhysRevLett.100.160501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.100.160501

[42] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca in Alain Tapp. Kvantna amplitudna ojačitev in ocena. Sodobna matematika, 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 in Rolando D Somma. Simulacija hamiltonove dinamike s skrajšanim Taylorjevim nizom. 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 in Gui-Lu Long. Kvantna simulacija kvantnih kanalov v jedrski magnetni resonanci. 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 in Gui-Lu Long. Učinkovita simulacija univerzalnega kvantnega kanala v IBM-ovem kvantnem računalniku v oblaku. 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 in Morgan W Mitchell. Na interakciji temelječe kvantno meroslovje, ki kaže skaliranje preko heisenbergove meje. Narava, 471 (7339): 486–489, 2011. 10.1038/​nature09778.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09778

[47] Podrobne informacije o platformi v oblaku Quafu lahko najdete na spletnem mestu, githubu in dokumentu.
http://​/​quafu.baqis.ac.cn/​

[48] Jiangfeng Du, Nanyang Xu, Xinhua Peng, Pengfei Wang, Sanfeng Wu in Dawei Lu. NMR izvedba kvantne simulacije molekularnega vodika s pripravo adiabatnega stanja. Physical review letters, 104 (3): 030502, 2010. 10.1103/​PhysRevLett.104.030502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.030502

[49] Maysum Panju. Iterativne metode za računanje lastnih vrednosti in lastnih vektorjev. arXiv prednatis arXiv:1105.1185, 2011. 10.48550/​arXiv.1105.1185.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1105.1185
arXiv: 1105.1185

Navedel

[1] Jingwei Wen, Chao Zheng, Zhiguo Huang in Ling Qian, »Digitalna kvantna simulacija evolucije imaginarnega časa brez ponovitev, ki temelji na približni enotni ekspanziji«, EPL (Europhysics Letters) 141 6, 68001 (2023).

[2] Bozhi Wang, Jingwei Wen, Jiawei Wu, Haonan Xie, Fan Yang, Shijie Wei in 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 in Shao-Ming Fei, "Izboljšan iterativni kvantni algoritem za pripravo osnovnega stanja", arXiv: 2210.08454, (2022).

[4] Xin Yi, Jia-Cheng Huo, Yong-Pan Gao, Ling Fan, Ru Zhang in Cong Cao, "Iterativni kvantni algoritem za kombinatorično optimizacijo na podlagi kvantnega gradientnega spuščanja", Rezultati iz fizike 56, 107204 (2024).

Zgornji citati so iz SAO / NASA ADS (zadnjič posodobljeno 2024-01-04 14:13:50). Seznam je morda nepopoln, saj vsi založniki ne dajejo ustreznih in popolnih podatkov o citiranju.

Pridobitve ni bilo mogoče Crossref citirani podatki med zadnjim poskusom 2024-01-04 14:13:48: Citiranih podatkov za 10.22331 / q-2024-01-04-1219 od Crossrefa ni bilo mogoče pridobiti. To je normalno, če je bil DOI registriran pred kratkim.

Ta dokument je objavljen v Quantumu pod Priznanje avtorstva Creative Commons 4.0 International (CC BY 4.0) licenca. Avtorske pravice ostajajo pri izvirnih imetnikih avtorskih pravic, kot so avtorji ali njihove ustanove.

Časovni žig:

Več od Quantum Journal