En fullkretsbaserad kvantalgoritm för exciterade tillstånd i kvantkemi

En fullkretsbaserad kvantalgoritm för exciterade tillstånd i kvantkemi

Tidsstämpel: 4 januari 2024 9:05
Källnod: 3046391

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

1State Key Laboratory of Low-Dimensional Quantum Physics and Department of Physics, Tsinghua University, Peking 100084, Kina
2China Mobile (Suzhou) Software Technology Company Limited, Suzhou 215163, Kina
3Beijing Academy of Quantum Information Sciences, Peking 100193, Kina
4Institude of Physics, Chinese Academy of Sciences, Peking 100190, Kina
5School of Physical Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Peking 100190, Kina
6Frontier Science Center for Quantum Information, Peking 100084, Kina
7Beijing National Research Centre for Information Science and Technology, Beijing 100084, Kina

Hitta det här uppsatsen intressant eller vill diskutera? Scite eller lämna en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Att använda kvantdator för att undersöka kvantkemi är ett viktigt forskningsfält nuförtiden. Förutom de grundtillståndsproblem som har studerats brett, spelar bestämningen av exciterade tillstånd en avgörande roll vid förutsägelse och modellering av kemiska reaktioner och andra fysikaliska processer. Här föreslår vi en icke-variationell fullkretsbaserad kvantalgoritm för att erhålla det exciterade tillståndsspektrumet för en kvantkemi Hamiltonian. Jämfört med tidigare klassiska kvanthybridvariationsalgoritmer, eliminerar vår metod den klassiska optimeringsprocessen, minskar resurskostnaden orsakad av interaktionen mellan olika system och uppnår snabbare konvergenshastighet och starkare robusthet mot buller utan karg platå. Parameteruppdateringen för att bestämma nästa energinivå är naturligtvis beroende av energimätningsresultaten från den föregående energinivån och kan realiseras genom att endast modifiera tillståndsförberedelseprocessen för det anslutna systemet, vilket introducerar lite extra resurskostnader. Numeriska simuleringar av algoritmen med väte-, LiH-, H2O- och NH3-molekyler presenteras. Vidare erbjuder vi en experimentell demonstration av algoritmen på en supraledande kvantberäkningsplattform, och resultaten visar en god överensstämmelse med teoretiska förväntningar. Algoritmen kan tillämpas brett på olika Hamiltonska spektrumbestämningsproblem på de feltoleranta kvantdatorerna.

Utvald bild: Kvantkrets för realisering av FQESS-algoritmen.

Populär sammanfattning

Vi föreslår en FQESS-algoritm (full quantum excited-state solver) för att bestämma Hamiltonian kemispektrum effektivt och stadigt för framtida feltoleranta kvantberäkningar. Jämfört med klassiska kvanthybridvariationsalgoritmer tar vår metod bort optimeringsprocessen i klassiska datorer, och parameteruppdateringen för olika energinivåer kan enkelt realiseras genom att modifiera tillståndsberedningsprocessen för hjälpsystemet baserat på energimätningen av tidigare energi- nivå, vilket är experimentvänligt. Dessutom kan den icke-variationella naturen säkerställa att algoritmen konvergerar till måltillstånden längs riktningen för den snabbaste gradientnedstigningen, vilket undviker karga platåfenomen. Vårt arbete fyller det sista steget av att lösa kvantkemiproblem baserat på olika algoritmramar.

► BibTeX-data

► Referenser

[1] Paul Benioff. Datorn som ett fysiskt system: En mikroskopisk kvantmekanisk hamiltonsk modell av datorer som representeras av turingmaskiner. Journal of statistical physics, 22 (5): 563–591, 1980. 10.1007/​BF01011339.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01011339

[2] Richard P Feynman. Simulera fysik med datorer. Int J Theor Phys, 21 (1): 467–488, 1982. 10.1007/​BF02650179.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02650179

[3] Peter W Shor. Polynom-tidsalgoritmer för primtalsfaktorisering och diskreta logaritmer på en kvantdator. SIAM recension, 41 (2): 303–332, 1999. 10.1137/​S0036144598347011.
https: / / doi.org/ 10.1137 / S0036144598347011

[4] Lov K Grover. Kvantmekanik hjälper till med att söka efter en nål i en höstack. 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 och Li Niu. Fasmatchning i kvantsökning. 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 och Seth Lloyd. Kvantalgoritm för linjära ekvationssystem. 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 och Davide Orsucci. Kvantalgoritmer för linjära ekvationssystem inspirerade av adiabatisk kvantberäkning. Physical review letters, 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. Kvantkemi i kvantberäkningens tidsålder. 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 och Xiao Yuan. Kvantberäkningskemi. 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 och Garnet Kin-Lic Chan. Kvantalgoritmer för kvantkemi och kvantmaterialvetenskap. Kemiska recensioner, 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 och Jeremy L O'brien. En variabel egenvärdeslösare på en fotonisk kvantprocessor. Naturkommunikationer, 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 al. Skalbar kvantsimulering av molekylära energier. 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 och Jay M Gambetta. Hårdvarueffektiv variationskvantumegenlösare för små molekyler och kvantmagneter. 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, et al. Varierande kvantalgoritmer. Nature Reviews Physics, sidorna 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 och TE O'Brien. Låg kostnadsreducering av fel genom symmetriverifiering. 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 och Nicholas J Mayhall. En adaptiv variationsalgoritm för exakta molekylära simuleringar på en kvantdator. Naturkommunikation, 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 och Sophia E Economou. qubit-adapt-vqe: En adaptiv algoritm för att konstruera hårdvarueffektiv ansätze på en kvantprocessor. PRX Quantum, 2 (2): 020310, 2021. 10.1103/​PRXQuantum.2.020310.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020310

[18] Mateusz Ostaszewski, Edward Grant och Marcello Benedetti. Strukturoptimering för parametriserade kvantkretsar. 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 och GuiLu Long. En fullständig kvantegenlösare för kvantkemi simuleringar. Forskning, 2020, 2020. 10.34133/​2020/​1486935.
https: / / doi.org/ 10.34133 / 2020/1486935

[20] Patrick Rebentrost, Maria Schuld, Leonard Wossnig, Francesco Petruccione och Seth Lloyd. Quantum gradient descent och newtons metod för begränsad polynomoptimering. 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 och Stephen Brierley. Varierande kvantberäkning av exciterade tillstånd. 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 och Simon C Benjamin. Variativa kvantealgoritmer för att upptäcka hamiltoniska spektra. 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 och Keisuke Fujii. Subspace-search variationskvantumegenlösare för exciterade tillstånd. 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 och Todd J Martínez. Kvantberäkning av elektroniska övergångar med hjälp av en variationskvantumegenlösare. Physical review letters, 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 och Wibe A De Jong. Hybrid kvantklassisk hierarki för att lindra dekoherens och bestämning av exciterade tillstånd. 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 och Irfan Siddiqi. Beräkning av molekylära spektra på en kvantprocessor med en feltålig algoritm. 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 och Mark Kostuk. En metod för att bestämma exciterade tillstånd för kvantberäkning. 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 och Ivano Tavernelli. Kvantrörelseekvation för beräkning av molekylära excitationsenergier på en brusig kvantprocessor. 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 och Tao Yin. Variationella kvantegenlösare genom variansminimering. 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 och Lucas Visscher. Analytiska icke-diabatiska kopplingar och gradienter inom den tillståndsgenomsnittliga orbitaloptimerade variationskvantumegenlösaren. 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 och Gui-Lu Long. Varierande kvantpaketerad deflation för godtyckliga exciterade tillstånd. Quantum Engineering, sida e80, 2021. 10.1002/​que2.80.
https://​doi.org/​10.1002/​que2.80

[32] Pascual Jordan och Eugene Paul Wigner. über das paulische äquivalenzverbot. I The Collected Works of Eugene Paul Wigner, sidorna 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 och Alexei Yu Kitaev. Fermionisk kvantberäkning. Annals of Physics, 298 (1): 210–226, 2002. 10.1006/​aphy.2002.6254.
https: / / doi.org/ 10.1006 / aphy.2002.6254

[34] Lång Gui-Lu. Allmän kvantinterferensprincip och dualitetsdator. 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 och Liu Yang. Duality computing i kvantdatorer. 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 och Wang Chuan. Tillåtna generaliserade kvantportar. 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 och Nathan Wiebe. Hamiltonsimulering med linjära kombinationer av enhetsoperationer. 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 och Guilu Long. Experimentell demonstration av en digital kvantsimulering av ett allmänt $mathcal{PT}$-symmetriskt system. 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 och Guilu Long. Observation av informationsflödet i det anti-$mathcal{PT}$-symmetriska systemet med nukleära spinn. 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 och Yang Sun. Effektivt schema för att initiera ett kvantregister med ett godtyckligt överlagrat tillstånd. 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 och Lorenzo Maccone. Quantum random access -minne. Fysiska granskningsbrev, 100 (16): 160501, 2008. 10.1103/PhysRevLett.100.160501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.100.160501

[42] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca och Alain Tapp. Kvant amplitudförstärkning och uppskattning. Modern matematik, 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 och Rolando D Somma. Simulerar hamiltonsk dynamik med en trunkerad taylor-serie. 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 och Gui-Lu Long. Kvantsimulering av kvantkanaler i kärnmagnetisk resonans. 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 och Gui-Lu Long. Effektiv universell kvantkanalsimulering i ibms molnkvantdator. 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 och Morgan W Mitchell. Interaktionsbaserad kvantmetrologi som visar skalning bortom heisenberggränsen. Nature, 471 (7339): 486–489, 2011. 10.1038/​nature09778.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09778

[47] Detaljerad information om Quafu molnplattform kan hittas på webbplats, github och dokument.
http://​/​quafu.baqis.ac.cn/​

[48] Jiangfeng Du, Nanyang Xu, Xinhua Peng, Pengfei Wang, Sanfeng Wu och Dawei Lu. Nmr-implementering av en kvantsimulering av molekylärt väte med adiabatisk tillståndsberedning. Physical review letters, 104 (3): 030502, 2010. 10.1103/​PhysRevLett.104.030502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.030502

[49] Maysum Panju. Iterativa metoder för beräkning av egenvärden och egenvektorer. arXiv förtryck arXiv:1105.1185, 2011. 10.48550/​arXiv.1105.1185.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1105.1185
arXiv: 1105.1185

Citerad av

[1] Jingwei Wen, Chao Zheng, Zhiguo Huang och Ling Qian, "Iterationsfri digital kvantsimulering av imaginär tidsevolution baserad på den ungefärliga enhetliga expansionen", EPL (Europhysics Letters) 141 6, 68001 (2023).

[2] Bozhi Wang, Jingwei Wen, Jiawei Wu, Haonan Xie, Fan Yang, Shijie Wei och Gui-lu Long, "En driven full kvantegenlösare för energibandstrukturer", arXiv: 2308.03134, (2023).

[3] Jin-Min Liang, Qiao-Qiao Lv, Shu-Qian Shen, Ming Li, Zhi-Xi Wang och Shao-Ming Fei, "Förbättrad iterativ kvantalgoritm för marktillståndsberedning", arXiv: 2210.08454, (2022).

[4] Xin Yi, Jia-Cheng Huo, Yong-Pan Gao, Ling Fan, Ru Zhang och Cong Cao, "Iterativ kvantalgoritm för kombinatorisk optimering baserad på kvantgradientnedstigning", Results in Physics 56, 107204 (2024).

Ovanstående citat är från SAO / NASA ADS (senast uppdaterad framgångsrikt 2024-01-04 14:13:50). Listan kan vara ofullständig eftersom inte alla utgivare tillhandahåller lämpliga och fullständiga citatdata.

Det gick inte att hämta Crossref citerade data under senaste försöket 2024-01-04 14:13:48: Det gick inte att hämta citerade data för 10.22331 / q-2024-01-04-1219 från Crossref. Detta är normalt om DOI registrerades nyligen.

Detta papper publiceras i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Upphovsrätten kvarstår med de ursprungliga upphovsrättsinnehavarna som författarna eller deras institutioner.

Tidsstämpel:

Mer från Quantum Journal