1Kjemisk fysikkprogram og institutt for fysikk og teknologi, University of Maryland, College Park, MD 20742, USA
2IonQ, College Park, MD 20740, USA
3Joint Quantum Institute, Institutt for fysikk, og Joint Center for Quantum Information and Computer Science, University of Maryland, College Park, MD 20742, USA
4Institutt for fysikk, University of Maryland, College Park, MD 20742, USA
Finn dette papiret interessant eller vil diskutere? Scite eller legg igjen en kommentar på SciRate.
Abstrakt
Evnen til å simulere et fermionisk system på en kvantecomputer forventes å revolusjonere kjemiteknikk, materialdesign, kjernefysikk, for å nevne noen få. Dermed har optimalisering av simuleringskretsene betydning for å utnytte kraften til kvantecomputere. Her tar vi tak i dette problemet i to aspekter. I det feiltolerante regimet optimaliserer vi $ R_z $ og $ textit {T gate} $ -tellingene sammen med ancilla qubit-teller som kreves, forutsatt bruk av en produktformelalgoritme for implementering. Vi oppnår et besparelsesforhold på to i porttellene og et besparelsesforhold på elleve i antall ancilla qubits som kreves i forhold til den nyeste teknikken. I det pre-feiltolerante regimet optimaliserer vi to-qubit gate-tellingene, forutsatt bruk av variasjonskvantum-egensolver (VQE) tilnærming. Spesielt for sistnevnte presenterer vi et rammeverk som muliggjør bootstrapping av VQE-progresjon mot konvergens av jordtilstandsenergien til det fermioniske systemet. Dette rammeverket, basert på forstyrrelsesteori, er i stand til å forbedre energistimatet ved hver syklus av VQE-progresjonen, med omtrent en faktor på tre nærmere den kjente jordtilstandsenergien sammenlignet med standard VQE-tilnærming i testsengen, klassisk -tilgjengelig system av vannmolekylet. Det forbedrede energistimatet resulterer i sin tur i et tilsvarende besparelsesnivå for kvante ressurser, for eksempel antall qubits og kvanteporter, som kreves for å være innenfor en forhåndsdefinert toleranse fra den kjente jordtilstandsenergien. Vi utforsker også en serie generaliserte transformasjoner av fermion til qubit-operatører og viser at ressurskravsparing på opptil mer enn $ 20% $, i små tilfeller, er mulig.
► BibTeX-data
► Referanser
[1] Ryan Babbush, Jarrod McClean, Dave Wecker, Alán Aspuru-Guzik og Nathan Wiebe. Kjemisk grunnlag for traver-suzuki-feil i kvantekjemi-simulering. Fysisk gjennomgang A, 91 (2), feb 2015. ISSN 1094-1622. 10.1103 / physreva.91.022311.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.91.022311
[2] Rodney J. Bartlett, Stanislaw A. Kucharski og Jozef Noga. Alternativ coupled-cluster ansätze ii. den enhetlige koblede-klyngemetoden. Chemical Physics Letters, 155 (1): 133 - 140, 1989. ISSN 0009-2614. 10.1016 / S0009-2614 (89) 87372-5.
https://doi.org/10.1016/S0009-2614(89)87372-5
[3] Dominic W. Berry, Graeme Ahokas, Richard Cleve og Barry C. Sanders. Effektive kvantealgoritmer for å simulere sparsomme Hamilton. Kommunikasjon i matematisk fysikk, 270 (2): 359–371, 2007. ISSN 1432-0916. 10.1007 / s00220-006-0150-x.
https: / / doi.org/ 10.1007 / s00220-006-0150-x
[4] Alex Bocharov, Martin Roetteler og Krysta M. Svore. Effektiv syntese av universelle kvantekretser med repetisjon til suksess. Physical Review Letters, 114: 080502, Feb 2015. 10.1103 / PhysRevLett.114.080502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.080502
[5] Sergey B. Bravyi og Alexei Yu. Kitaev. Fermionisk kvanteberegning. Annals of Physics, 298 (1): 210 - 226, 2002. ISSN 0003-4916. 10.1006 / aphy.2002.6254.
https: / / doi.org/ 10.1006 / aphy.2002.6254
[6] Andrew M. Childs, Dmitri Maslov, Yunseong Nam, Neil J. Ross og Yuan Su. Mot den første kvantesimuleringen med kvantehastighet. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115 (38): 9456–9461, 2018. ISSN 0027-8424. 10.1073 / pnas.1801723115.
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1801723115
[7] JI Cirac og P. Zoller. Kvanteberegninger med kaldfangede ioner. Physical Review Letters, 74: 4091–4094, Mai 1995. 10.1103 / PhysRevLett.74.4091.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.74.4091
[8] EF Dumitrescu, AJ McCaskey, G. Hagen, GR Jansen, TD Morris, T. Papenbrock, RC Pooser, DJ Dean, og P. Lougovski. Cloud quantum computing av en atomkjerne. Physical Review Letters, 120: 210501, Mai 2018. 10.1103 / PhysRevLett.120.210501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.210501
[9] Richard P. Feynman. Simulere fysikk med datamaskiner. International Journal of Theoretical Physics, 21 (6): 467–488, 1982. ISSN 1572-9575. 10.1007 / BF02650179.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02650179
[10] Craig Gidney. Halvere kostnaden for kvanttilsetning. Quantum, 2: 74, Jun 2018. ISSN 2521-327X. 10.22331 / q-2018-06-18-74.
https://doi.org/10.22331/q-2018-06-18-74
[11] Pranav Gokhale, Olivia Angiuli, Yongshan Ding, Kaiwen Gui, Teague Tomesh, Martin Suchara, Margaret Martonosi og Frederic T Chong. Minimering av tilstandsforberedelser i variasjonskvanteeiende ved å dele inn i pendlingsfamilier. arXiv preprint arXiv: 1907.13623, 2019.
arxiv: 1907.13623
[12] Harper R. Grimsley, Sophia E. Economou, Edwin Barnes og Nicholas J. Mayhall. En adaptiv variasjonsalgoritme for eksakte molekylære simuleringer på en kvantecomputer. Nature Communications, 10 (1): 3007, Jul 2019. ISSN 2041-1723. 10.1038 / s41467-019-10988-2.
https://doi.org/10.1038/s41467-019-10988-2
[13] Emily Grumbling og Mark Horowitz, redaktører. Quantum Computing: Progress and Prospects. The National Academies Press, Washington, DC, 2019. ISBN 978-0-309-47969-1. 10.17226 / 25196.
https: / / doi.org/ 10.17226 / 25196
[14] Matthew B. Hastings, Dave Wecker, Bela Bauer og Matthias Troyer. Forbedring av kvantealgoritmer for kvantekjemi. Kvanteinfo. Beregning., 15 (1–2): 1–21, januar 2015. ISSN 1533-7146. 10.5555 / 2685188.2685189.
https: / / doi.org/ 10.5555 / 2685188.2685189
[15] Cornelius Hempel, Christine Maier, Jonathan Romero, Jarrod McClean, Thomas Monz, Heng Shen, Petar Jurcevic, Ben P. Lanyon, Peter Love, Ryan Babbush, Alán Aspuru-Guzik, Rainer Blatt og Christian F. Roos. Kvantekjemikalkyler på en fanget ion-kvantsimulator. Fysisk gjennomgang X, 8: 031022, jul 2018. 10.1103 / PhysRevX.8.031022.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.031022
[16] Mark R. Hoffmann og Jack Simons. En enhetlig multiconfigurational koblet-klyngemetode: Teori og applikasjoner. The Journal of Chemical Physics, 88 (2): 993–1002, 1988. 10.1063 / 1.454125.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.454125
[17] Zhang Jiang, Kevin J. Sung, Kostyantyn Kechedzhi, Vadim N. Smelyanskiy og Sergio Boixo. Kvantealgoritmer for å simulere mange kroppsfysikk av korrelerte fermioner. Physical Review Applied, 9 (4), Apr 2018. ISSN 2331-7019. 10.1103 / fysapplisert.9.044036.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevapplied.9.044036
[18] P. Jordan og E. Wigner. Über das paulische äquivalenzverbot. Zeitschrift für Physik, 47 (9): 631–651, 1928. ISSN 0044-3328. 10.1007 / BF01331938.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01331938
[19] Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takita, Markus Brink, Jerry M. Chow og Jay M. Gambetta. Maskinvareeffektiv variasjonskvanteeiende for små molekyler og kvantemagneter. Nature, 549 (7671): 242–246, 2017. ISSN 1476-4687. 10.1038 / nature23879.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23879
[20] James Kennedy og Russell C Eberhart. En diskret binær versjon av partikkelsvermalgoritmen. I 1997 IEEE International conference on systems, man, and cybernetics. Computational cybernetics and simulation, bind 5, side 4104–4108. IEEE, 1997. 10.1109 / ICSMC.1997.637339.
https: / / doi.org/ 10.1109 / ICSMC.1997.637339
[21] Ian D. Kivlichan, Craig Gidney, Dominic W. Berry, Nathan Wiebe, Jarrod McClean, Wei Sun, Zhang Jiang, Nicholas Rubin, Austin Fowler, Alán Aspuru-Guzik og et al. Forbedret feiltolerant kvantesimulering av kondensfasekorrelerte elektroner via traverisering. Quantum, 4: 296, jul 2020. ISSN 2521-327X. 10.22331 / q-2020-07-16-296.
https://doi.org/10.22331/q-2020-07-16-296
[22] Joonho Lee, William J. Huggins, Martin Head-Gordon og K. Birgitta Whaley. Generelle enhetskoblede klyngebølgefunksjoner for kvanteberegning. Journal of Chemical Theory and Computation, 15 (1): 311–324, jan 2019. ISSN 1549-9618. 10.1021 / acs.jctc.8b01004.
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.8b01004
[23] Seth Lloyd. Universelle kvantesimulatorer. Science, 273 (5278): 1073–1078, 1996. ISSN 0036-8075. 10.1126 / science.273.5278.1073.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.273.5278.1073
[24] Guang Hao Low og Isaac L. Chuang. Optimal Hamilton-simulering ved hjelp av kvantesignalbehandling. Physical Review Letters, 118: 010501, Jan 2017. 10.1103 / PhysRevLett.118.010501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.010501
[25] Guang Hao Low og Isaac L. Chuang. Hamiltonian Simulation by Qubitization. Quantum, 3: 163, juli 2019. ISSN 2521-327X. 10.22331 / q-2019-07-12-163.
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-12-163
[26] D. Maslov, Y. Nam og J. Kim. Et utsyn for kvanteberegning [synspunkt]. Proceedings of the IEEE, 107 (1): 5–10, Jan 2019. ISSN 1558-2256. 10.1109 / JPROC.2018.2884353.
https: / / doi.org/ 10.1109 / JPROC.2018.2884353
[27] Dmitri Maslov. Fordeler ved å bruke toffoli-porter i relativ fase med en applikasjon for å optimalisere toffoli-optimalisering. Fysisk gjennomgang A, 93: 022311, feb 2016. 10.1103 / PhysRevA.93.022311.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.93.022311
[28] Dmitri Maslov og Yunseong Nam. Bruk av globale interaksjoner i effektive kvantekretskonstruksjoner. New Journal of Physics, 20 (3): 033018, mar 2018. 10.1088 / 1367-2630 / aaa398.
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aaa398
[29] Yunseong Nam og Dmitri Maslov. Lavpris kvantekretser for klassisk uoppnåelige forekomster av Hamilton-dynamikkens simuleringsproblem. npj Kvanteinformasjon, 5 (1): 44, 2019. ISSN 2056-6387. 10.1038 / s41534-019-0152-0.
https://doi.org/10.1038/s41534-019-0152-0
[30] Yunseong Nam, Neil J. Ross, Yuan Su, Andrew M. Childs og Dmitri Maslov. Automatisert optimalisering av store kvantekretser med kontinuerlige parametere. npj Kvanteinformasjon, 4 (1): 23, 2018. ISSN 2056-6387. 10.1038 / s41534-018-0072-4.
https://doi.org/10.1038/s41534-018-0072-4
[31] Yunseong Nam, Jwo-Sy Chen, Neal C Pisenti, Kenneth Wright, Conor Delaney, Dmitri Maslov, Kenneth R Brown, Stewart Allen, Jason M Amini, Joel Apisdorf, Aleksey Beck, Kristin M. Blinov, Vandiver Chaplin, Mika Chmielewski, Coleman Collins, Shantanu Debnath, Andrew M. Ducore, Kai M. Hudek, Matthew Keesan, Sarah M. Kreikemeier, Jonathan Mizrahi, Phil Solomon, Mike Williams, Jaime David Wong-Campos, Christopher Monroe og Jungsang Kim. Estimering av grunntilstand av vannmolekylet på en fanget ion-kvantecomputer. npj Kvanteinformasjon, 6 (1): 1–6, 2020a. 10.1038 / s41534-020-0259-3.
https://doi.org/10.1038/s41534-020-0259-3
[32] Yunseong Nam, Yuan Su og Dmitri Maslov. Omtrentlig quantum fourier-transformasjon med o (n log (n)) t-porter. npj Kvanteinformasjon, 6 (1), mars 2020b. ISSN 2056-6387. 10.1038 / s41534-020-0257-5.
https://doi.org/10.1038/s41534-020-0257-5
[33] Michael A. Nielsen og Isaac L. Chuang. Kvanteberegning og kvanteinformasjon. Cambridge University Press, 2000. 10.1017 / CBO9780511976667.
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667
[34] PJJ O'Malley, R. Babbush, ID Kivlichan, J. Romero, JR McClean, R. Barends, J. Kelly, P. Roushan, A. Tranter, N. Ding, B. Campbell, Y. Chen, Z. Chen , B. Chiaro, A. Dunsworth, AG Fowler, E. Jeffrey, E. Lucero, A. Megrant, JY Mutus, M. Neeley, C. Neill, C. Quintana, D. Sank, A. Vainsencher, J. Wenner , TC White, PV Coveney, PJ Love, H. Neven, A. Aspuru-Guzik og JM Martinis. Skalerbar kvantesimulering av molekylære energier. Fysisk gjennomgang X, 6: 031007, jul 2016. 10.1103 / PhysRevX.6.031007.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.031007
[35] Robert M. Parrish, Lori A. Burns, Daniel GA Smith, Andrew C. Simmonett, A. Eugene DePrince, Edward G. Hohenstein, Uğur Bozkaya, Alexander Yu. Sokolov, Roberto Di Remigio, Ryan M. Richard, Jérôme F. Gonthier, Andrew M. James, Harley R. McAlexander, Ashutosh Kumar, Masaaki Saitow, Xiao Wang, Benjamin P. Pritchard, Prakash Verma, Henry F. Schaefer, Konrad Patkowski , Rollin A. King, Edward F. Valeev, Francesco A. Evangelista, Justin M. Turney, T. Daniel Crawford og C. David Sherrill. Psi4 1.1: Et elektronisk strukturprogram med åpen kildekode som vektlegger automatisering, avanserte biblioteker og interoperabilitet. Journal of Chemical Theory and Computation, 13 (7): 3185–3197, 2017. 10.1021 / acs.jctc.7b00174.
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.7b00174
[36] Ketan N. Patel, Igor L. Markov og John P. Hayes. Optimal syntese av lineære reversible kretser. Kvanteinfo. Beregning., 8 (3): 282–294, mars 2008. ISSN 1533-7146. 10.5555 / 2011763.2011767.
https: / / doi.org/ 10.5555 / 2011763.2011767
[37] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J. Love, Alán Aspuru-Guzik og Jeremy L. O'Brien. En variasjons egenverdiløser på en fotonisk kvanteprosessor. Nature Communications, 5 (1): 4213, 2014. ISSN 2041-1723. 10.1038 / ncomms5213.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5213
[38] David Poulin, Matthew B. Hastings, Dave Wecker, Nathan Wiebe, Andrew C. Doberty og Matthias Troyer. Trappetrinnsstørrelsen som kreves for nøyaktig kvantesimulering av kvantekjemi. Kvanteinfo. Beregning., 15 (5–6): 361–384, april 2015. ISSN 1533-7146. 10.5555 / 2871401.2871402.
https: / / doi.org/ 10.5555 / 2871401.2871402
[39] Markus Reiher, Nathan Wiebe, Krysta M. Svore, Dave Wecker og Matthias Troyer. Å belyse reaksjonsmekanismer på kvantedatamaskiner. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017. ISSN 0027-8424. 10.1073 / pnas.1619152114.
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1619152114
[40] Jonathan Romero, Ryan Babbush, Jarrod R McClean, Cornelius Hempel, Peter J Love og Alán Aspuru-Guzik. Strategier for kvanteberegning av molekylære energier ved bruk av enhetskoblet klynge ansatz. Quantum Science and Technology, 4 (1): 014008, okt 2018. 10.1088 / 2058-9565 / aad3e4.
https://doi.org/10.1088/2058-9565/aad3e4
[41] Jacob T. Seeley, Martin J. Richard og Peter J. Love. Bravyi-kitaev-transformasjonen for kvanteberegning av elektronisk struktur. The Journal of Chemical Physics, 137 (22): 224109, 2012. 10.1063 / 1.4768229.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4768229
[42] O. Shehab, K. Landsman, Y. Nam, D. Zhu, NM Linke, M. Keesan, RC Pooser og C. Monroe. Mot konvergens av effektive feltteorisimuleringer på digitale kvantedatamaskiner. Fysisk gjennomgang A, 100: 062319, des 2019. 10.1103 / PhysRevA.100.062319.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.062319
[43] Mark Steudtner og Stephanie Wehner. Fermion-to-qubit-kartlegginger med varierende ressurskrav for kvantesimulering. New Journal of Physics, 20 (6): 063010, jun 2018. 10.1088 / 1367-2630 / aac54f.
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aac54f
[44] Masuo Suzuki. Generell teori om fraktalbaneintegraler med applikasjoner på mange kroppsteorier og statistisk fysikk. Tidsskrift for matematisk fysikk, 32 (2): 400–407, 1991. 10.1063 / 1.529425.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.529425
[45] Andrew Tranter, Peter J. Love, Florian Mintert, Nathan Wiebe og Peter V. Coveney. Bestilling av traverisering: Innvirkning på feil i kvantesimulering av elektronisk struktur. Entropy, 21 (12): 1218, des 2019. ISSN 1099-4300. 10.3390 / e21121218.
https: / / doi.org/ 10.3390 / e21121218
[46] Dave Wecker, Bela Bauer, Bryan K. Clark, Matthew B. Hastings og Matthias Troyer. Gate-count estimater for å utføre kvantekjemi på små kvantecomputere. Fysisk gjennomgang A, 90 (2), aug 2014. ISSN 1094-1622. 10.1103 / physreva.90.022305.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.90.022305
[47] James D. Whitfield, Jacob Biamonte og Alán Aspuru-Guzik. Simulering av elektroniske strukturer fra Hamilton ved hjelp av kvantecomputere. Molecular Physics, 109 (5): 735–750, 2011. 10.1080 / 00268976.2011.552441.
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00268976.2011.552441
[48] Ciyou Zhu, Richard H Byrd, Peihuang Lu og Jorge Nocedal. Algoritme 778: L-bfgs-b: Fortran subrutiner for storskala bundet-begrenset optimalisering. ACM Transactions on mathematical software (TOMS), 23 (4): 550–560, 1997. 10.1145 / 279232.279236.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 279232.279236
Sitert av
[1] Christopher David White, ChunJun Cao og Brian Swingle, "Conformal field theories are magic", Fysisk gjennomgang B 103 7, 075145 (2021).
[2] Andrew Zhao, Nicholas C. Rubin og Akimasa Miyake, "Fermionisk partiell tomografi via klassiske skygger", arxiv: 2010.16094.
[3] Yordan S. Yordanov, David RM Arvidsson-Shukur og Crispin HW Barnes, "Effektive kvantekretser for kvanteberegningskjemi", Fysisk gjennomgang A 102 6, 062612 (2020).
[4] Saad Yalouz, Bruno Senjean, Jakob Günther, Francesco Buda, Thomas E. O'Brien og Lucas Visscher, "En statlig gjennomsnitt orbital-optimalisert hybrid kvante-klassisk algoritme for en demokratisk beskrivelse av bakken og begeistret stater", Kvantevitenskap og teknologi 6 2, 024004 (2021).
[5] Brian C. Sawyer og Kenton R. Brown, "Bølgelengde-ufølsomme, multisorter som vikler port for gruppe 2 atomioner", Fysisk gjennomgang A 103 2, 022427 (2021).
[6] Ning Bao, ChunJun Cao og Vincent Paul Su, "Magic State Destillation from Entangled States", arxiv: 2106.12591.
[7] Nikodem Grzesiak, Andrii Maksymov, Pradeep Niroula og Yunseong Nam, “Effektiv kvanteprogrammering ved bruk av EASE-porter på en fanget ion-kvantecomputer”, arxiv: 2107.07591.
Sitatene ovenfor er fra SAO / NASA ADS (sist oppdatert vellykket 2021-07-26 13:07:04). Listen kan være ufullstendig fordi ikke alle utgivere gir passende og fullstendige sitasjonsdata.
Kunne ikke hente Crossref sitert av data under siste forsøk 2021-07-26 13:07:02: Kunne ikke hente siterte data for 10.22331 / q-2021-07-26-509 fra Crossref. Dette er normalt hvis DOI nylig ble registrert.
Denne artikkelen er utgitt i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) tillatelse. Opphavsrett forblir hos de opprinnelige rettighetshaverne som forfatterne eller institusjonene deres.
PlatonAi. Web3 Reimagined. Data Intelligence Amplified.
Klikk her for å få tilgang.
