Kuantum kimyasında uyarılmış durumlar için tam devre tabanlı bir kuantum algoritması

Kuantum kimyasında uyarılmış durumlar için tam devre tabanlı bir kuantum algoritması

Kaynak Düğüm: 3046391

Jingwei Wen1,2, Zhengan Wang3, Chitong Chen4,5, Junxiang Xiao1, Li'yi asın3, Ling Qian2, Zhiguo Huang2, Heng Fan3,4, Shijie Wei3ve Guilu Long1,3,6,7

1Düşük Boyutlu Kuantum Fiziği Devlet Anahtar Laboratuvarı ve Fizik Bölümü, Tsinghua Üniversitesi, Pekin 100084, Çin
2China Mobile (Suzhou) Software Technology Company Limited, Suzhou 215163, Çin
3Pekin Kuantum Bilgi Bilimleri Akademisi, Pekin 100193, Çin
4Fizik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, Pekin 100190, Çin
5Fiziksel Bilimler Fakültesi, Çin Bilimler Akademisi Üniversitesi, Pekin 100190, Çin
6Kuantum Bilgisi için Frontier Bilim Merkezi, Pekin 100084, Çin
7Pekin Ulusal Bilgi Bilimi ve Teknolojisi Araştırma Merkezi, Pekin 100084, Çin

Bu makaleyi ilginç mi buldunuz yoksa tartışmak mı istiyorsunuz? SciRate'e çığlık at veya yorum bırak.

Özet

Kuantum kimyasını araştırmak için kuantum bilgisayarının kullanılması günümüzde önemli bir araştırma alanıdır. Yaygın olarak incelenen temel durum problemlerine ek olarak, uyarılmış durumların belirlenmesi, kimyasal reaksiyonların ve diğer fiziksel süreçlerin tahmin edilmesinde ve modellenmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Burada, bir kuantum kimyası Hamiltonyeninin uyarılmış durum spektrumunu elde etmek için değişken olmayan, tam devre tabanlı bir kuantum algoritması öneriyoruz. Önceki klasik kuantum hibrit varyasyonel algoritmalarla karşılaştırıldığında, yöntemimiz klasik optimizasyon sürecini ortadan kaldırır, farklı sistemler arasındaki etkileşimin neden olduğu kaynak maliyetini azaltır ve çorak plato olmadan daha hızlı yakınsama oranı ve gürültüye karşı daha güçlü sağlamlık elde eder. Bir sonraki enerji seviyesinin belirlenmesine yönelik parametre güncellemesi doğal olarak önceki enerji seviyesinin enerji ölçüm çıktılarına bağlıdır ve yalnızca yardımcı sistemin durum hazırlama sürecinin değiştirilmesiyle gerçekleştirilebilir, bu da çok az ek kaynak yükü getirir. Algoritmanın hidrojen, LiH, H2O ve NH3 molekülleri ile sayısal simülasyonları sunulmaktadır. Ayrıca, algoritmanın süper iletken kuantum hesaplama platformunda deneysel bir gösterimini sunuyoruz ve sonuçlar teorik beklentilerle iyi bir uyum gösteriyor. Algoritma, hataya dayanıklı kuantum bilgisayarlardaki çeşitli Hamilton spektrum belirleme problemlerine yaygın olarak uygulanabilir.

Gelecekte hataya dayanıklı kuantum hesaplaması için Hamiltonian kimyasının spektrumunu verimli ve istikrarlı bir şekilde belirlemek için tam bir kuantum uyarılmış durum çözücü (FQESS) algoritması öneriyoruz. Klasik kuantum hibrit varyasyonel algoritmalarla karşılaştırıldığında, yöntemimiz klasik bilgisayarlardaki optimizasyon sürecini ortadan kaldırır ve farklı enerji seviyeleri için parametre güncellemesi, önceki enerjinin enerji ölçümüne dayalı olarak yardımcı sistemin durum hazırlama sürecini değiştirerek kolayca gerçekleştirilebilir. deneysel olarak uygun olan seviye. Ayrıca, değişken olmayan doğa, çorak plato fenomeninden kaçınarak, algoritmanın en hızlı gradyan iniş yönü boyunca hedef durumlara yakınlaşmasını sağlayabilir. Çalışmamız farklı algoritma çerçevelerine dayalı olarak kuantum kimyası problemlerini çözmenin son adımını dolduruyor.

► BibTeX verileri

► Referanslar

[1] Paul Benioff. Fiziksel bir sistem olarak bilgisayar: Turing makineleriyle temsil edilen bilgisayarların mikroskobik kuantum mekaniksel Hamilton modeli. İstatistiksel fizik dergisi, 22 (5): 563–591, 1980. 10.1007/​BF01011339.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01011339

[2] Richard P Feynman. Fiziğin bilgisayarlarla simüle edilmesi. Int J Theor Phys, 21 (1): 467–488, 1982. 10.1007/​BF02650179.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02650179

[3] Peter W. Shor. Bir kuantum bilgisayarında asal çarpanlara ayırma ve ayrık logaritmalar için polinom zamanlı algoritmalar. SIAM incelemesi, 41 (2): 303–332, 1999. 10.1137/​S0036144598347011.
https: / / doi.org/ 10.1137 / S0036144598347011

[4] Lov K Kıvırcık. Kuantum mekaniği samanlıkta iğne aramaya yardımcı olur. Fiziksel inceleme mektupları, 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 ve Li Niu. Kuantum aramada faz eşleştirme. Fizik Mektupları 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 ve Seth Lloyd. Doğrusal denklem sistemleri için kuantum algoritması. Fiziksel inceleme mektupları, 103 (15): 150502, 2009. 10.1103/​PhysRevLett.103.150502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502

[7] Yiğit Subaşı, Rolando D Somma ve Davide Orsucci. Adyabatik kuantum hesaplamadan ilham alan doğrusal denklem sistemleri için kuantum algoritmaları. Fiziksel inceleme mektupları, 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. Kuantum hesaplama çağında kuantum kimyası. Kimyasal incelemeler, 119 (19): 10856–10915, 2019. 10.1021/​acs.chemrev.8b00803.
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.8b00803

[9] Sam McArdle, Suguru Endo, Alan Aspuru-Guzik, Simon C Benjamin ve Xiao Yuan. Kuantum hesaplamalı kimya. Modern Fizik İncelemeleri, 92 (1): 015003, 2020. 10.1103/​RevModPhys.92.015003.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.015003

[10] Bela Bauer, Sergey Bravyi, Mario Motta ve Garnet Kin-Lic Chan. Kuantum kimyası ve kuantum malzeme bilimi için kuantum algoritmaları. 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, Alan Aspuru-Guzik ve Jeremy L O'brien. Bir fotonik kuantum işlemcide varyasyonel bir özdeğer çözücü. Doğa iletişimi, 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 ve diğerleri. Moleküler enerjilerin ölçeklenebilir kuantum simülasyonu. Fiziksel İnceleme 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 ve Jay M Gambetta. Küçük moleküller ve kuantum mıknatıslar için donanım açısından verimli varyasyonel kuantum özçözücü. 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 ve diğerleri. Değişken kuantum algoritmaları. Nature Reviews Physics, sayfa 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 ve TE O'Brien. Simetri doğrulaması ile düşük maliyetli hata azaltma. Fiziksel İnceleme 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 ve Nicholas J Mayhall. Kuantum bilgisayarında tam moleküler simülasyonlar için uyarlanabilir bir varyasyon algoritması. Doğa iletişimi, 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 ve Sophia E Economou. qubit-adapt-vqe: Bir kuantum işlemcide donanım açısından verimli yanıtlar oluşturmak için uyarlanabilir bir algoritma. PRX Quantum, 2 (2): 020310, 2021. 10.1103/​PRXQuantum.2.020310.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020310

[18] Mateusz Ostaszewski, Edward Grant ve Marcello Benedetti. Parametreli kuantum devreleri için yapı optimizasyonu. 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 ve GuiLu Long. Kuantum kimyası simülasyonları için tam bir kuantum özçözücü. Araştırma, 2020, 2020. 10.34133/​2020/​1486935.
https: / / doi.org/ 10.34133 / 2020/1486935

[20] Patrick Rebentrost, Maria Schuld, Leonard Wossnig, Francesco Petruccione ve Seth Lloyd. Kısıtlı polinom optimizasyonu için kuantum gradyan inişi ve Newton yöntemi. 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 ve Stephen Brierley. Uyarılmış durumların varyasyonel kuantum hesaplaması. 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 ve Simon C Benjamin. Hamilton spektrumlarını keşfetmek için varyasyonel kuantum algoritmaları. Fiziksel İnceleme A, 99 (6): 062304, 2019. 10.1103 / PhysRevA.99.062304.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062304

[23] Ken M Nakanishi, Kosuke Mitarai ve Keisuke Fujii. Uyarılmış durumlar için altuzay arama varyasyonel kuantum özçözücüsü. Fiziksel İnceleme Araştırması, 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 ve Todd J Martínez. Değişken bir kuantum özçözücü kullanılarak elektronik geçişlerin kuantum hesaplaması. Fiziksel inceleme mektupları, 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 ve Wibe A De Jong. Uyumsuzluğun azaltılması ve uyarılmış durumların belirlenmesi için hibrit kuantum-klasik hiyerarşi. Fiziksel İnceleme 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 ve Irfan Siddiqi. Hataya dayanıklı bir algoritmaya sahip bir kuantum işlemcide moleküler spektrumların hesaplanması. Fiziksel İnceleme X, 8 (1): 011021, 2018. 10.1103/​PhysRevX.8.011021.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.011021

[27] Pejman Jouzdani, Stefan Bringuier ve Mark Kostuk. Kuantum hesaplama için uyarılmış durumları belirleme yöntemi. arXiv ön baskısı 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 ve Ivano Tavernelli. Gürültülü bir kuantum işlemcide moleküler uyarılma enerjilerinin hesaplanması için kuantum hareket denklemi. Fiziksel İnceleme Araştırması, 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 ve Tao Yin. Varyans minimizasyonu yoluyla varyasyonel kuantum özçözücüler. Çin Fiziği 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 ve Lucas Visscher. Durum ortalamalı yörünge optimizasyonlu varyasyonel kuantum özçözücü içindeki analitik adiyabatik olmayan bağlantılar ve gradyanlar. 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 ve Gui-Lu Long. Keyfi uyarılmış durumlar için varyasyonel kuantum paketli deflasyon. Kuantum Mühendisliği, sayfa e80, 2021. 10.1002/​que2.80.
https://​/​doi.org/​10.1002/​que2.80

[32] Pascual Jordan ve Eugene Paul Wigner. eşdeğer bir bot var. Eugene Paul Wigner'ın Toplu Eserleri'nde, sayfa 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 ve Alexei Yu Kitaev. Fermiyonik kuantum hesaplaması. Annals of Physics, 298 (1): 210–226, 2002. 10.1006/​aphy.2002.6254.
https: / / doi.org/ 10.1006 / aphy.2002.6254

[34] Uzun Gui-Lu. Genel kuantum girişim ilkesi ve dualite bilgisayarı. 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] Uzun Gui-Lu ve Liu Yang. Kuantum bilgisayarlarda dualite hesaplama. 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 ve Wang Chuan. İzin verilen genelleştirilmiş kuantum kapıları. 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 ve Nathan Wiebe. Üniter işlemlerin doğrusal kombinasyonlarını kullanan Hamilton simülasyonu. arXiv ön baskı 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 ve Guilu Long. Genel bir $mathcal{PT}$-simetrik sistemin dijital kuantum simülasyonunun deneysel gösterimi. Fiziksel İnceleme 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 ve Guilu Long. Nükleer spinlerle anti-$mathcal{PT}$-simetrik sistemdeki bilgi akışının gözlemlenmesi. 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 ve Yang Sun. Rastgele bir üst üste bindirilmiş durumla bir kuantum kaydını başlatmak için etkili şema. Fiziksel İnceleme A, 64 (1): 014303, 2001. 10.1103/​PhysRevA.64.014303.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.014303

[41] Vittorio Giovannetti, Seth Lloyd ve Lorenzo Maccone. Kuantum rastgele erişim belleği. Fiziksel inceleme mektupları, 100 (16): 160501, 2008. 10.1103/​PhysRevLett.100.160501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.100.160501

[42] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca ve Alain Tapp. Kuantum genlik büyütme ve kestirimi. Çağdaş 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 ve Rolando D Somma. Hamilton dinamiğinin kesik taylor serisiyle simüle edilmesi. Fiziksel inceleme mektupları, 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 ve Gui-Lu Long. Nükleer manyetik rezonansta kuantum kanallarının kuantum simülasyonu. Fiziksel İnceleme A, 96 (6): 062303, 2017. 10.1103/​PhysRevA.96.062303.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.062303

[45] Shi-Jie Wei, Tao Xin ve Gui-Lu Long. IBM'in bulut kuantum bilgisayarında verimli evrensel kuantum kanalı simülasyonu. 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 ve Morgan W Mitchell. Heisenberg sınırının ötesinde ölçeklendirmeyi gösteren etkileşime dayalı kuantum metrolojisi. Nature, 471 (7339): 486–489, 2011. 10.1038/​nature09778.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09778

[47] Quafu bulut platformu hakkında detaylı bilgiye web sitesinden, github'dan ve dokümanlardan ulaşabilirsiniz.
http://​/​quafu.baqis.ac.cn/​

[48] Jiangfeng Du, Nanyang Xu, Xinhua Peng, Pengfei Wang, Sanfeng Wu ve Dawei Lu. Adyabatik durum hazırlığıyla moleküler hidrojen kuantum simülasyonunun Nmr uygulaması. Fiziksel inceleme mektupları, 104 (3): 030502, 2010. 10.1103/​PhysRevLett.104.030502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.030502

[49] Maysum Panju. Özdeğerleri ve özvektörleri hesaplamak için yinelemeli yöntemler. arXiv ön baskısı arXiv:1105.1185, 2011. 10.48550/​arXiv.1105.1185.
https:/​/​doi.org/10.48550/​arXiv.1105.1185
arXiv: 1105.1185

Alıntılama

[1] Jingwei Wen, Chao Zheng, Zhiguo Huang ve Ling Qian, "Yaklaşık üniter genişlemeye dayalı sanal zaman evriminin yinelemesiz dijital kuantum simülasyonu", EPL (Eurofizik Mektupları) 141 6, 68001 (2023).

[2] Bozhi Wang, Jingwei Wen, Jiawei Wu, Haonan Xie, Fan Yang, Shijie Wei ve Gui-lu Long, "Enerji bandı yapıları için güçlü bir tam kuantum özçözücü", arXiv: 2308.03134, (2023).

[3] Jin-Min Liang, Qiao-Qiao Lv, Shu-Qian Shen, Ming Li, Zhi-Xi Wang ve Shao-Ming Fei, "Temel durum hazırlığı için geliştirilmiş yinelemeli kuantum algoritması", arXiv: 2210.08454, (2022).

[4] Xin Yi, Jia-Cheng Huo, Yong-Pan Gao, Ling Fan, Ru Zhang ve Cong Cao, "Kuantum gradyan inişine dayalı kombinatoryal optimizasyon için yinelemeli kuantum algoritması", Fizik Sonuçları 56, 107204 (2024).

Yukarıdaki alıntılar SAO / NASA REKLAMLARI (son başarıyla 2024-01-04 14:13:50) güncellendi. Tüm yayıncılar uygun ve eksiksiz alıntı verisi sağlamadığından liste eksik olabilir.

Getirilemedi Alıntılanan veriler son girişim sırasında 2024-01-04 14:13:48: Crossref'ten 10.22331 / q-2024-01-04-1219 için belirtilen veriler getirilemedi. DOI yakın zamanda kaydedildiyse bu normaldir.

Zaman Damgası:

Den fazla Kuantum Günlüğü