1Khoa Hóa học, Khoa Vật lý, và Viện Khoa học và Kỹ thuật Lượng tử Purdue, Đại học Purdue, Tây Lafayette, IN 47907, Hoa Kỳ
2John A. Paulson Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng, Đại học Harvard, Cambridge, MA 02138, Hoa Kỳ
3Khoa Hóa học và Viện James Franck, Đại học Chicago, Chicago, IL 60637 Hoa Kỳ
Tìm bài báo này thú vị hay muốn thảo luận? Scite hoặc để lại nhận xét về SciRate.
Tóm tắt
Sử dụng các thuật toán lượng tử để mô phỏng các quá trình vật lý phức tạp và các mối tương quan trong vật chất lượng tử là một hướng chính của nghiên cứu tính toán lượng tử, hướng tới hứa hẹn về lợi thế lượng tử so với các phương pháp tiếp cận cổ điển. Trong công việc này, chúng tôi phát triển một thuật toán lượng tử tổng quát để mô phỏng bất kỳ quá trình động học nào được biểu diễn bằng biểu diễn tổng của toán tử hoặc phương trình tổng thể Lindblad. Sau đó, chúng tôi chứng minh thuật toán lượng tử bằng cách mô phỏng động lực học của phức hợp Fenna-Matthews-Olson (FMO) trên bộ mô phỏng lượng tử QASM của IBM. Công trình này đại diện cho một minh chứng đầu tiên của một thuật toán lượng tử cho động lực lượng tử mở với một quá trình động lực học phức tạp vừa phải liên quan đến một cấu trúc sinh học thực tế. Chúng tôi thảo luận về độ phức tạp của thuật toán lượng tử so với phương pháp cổ điển cho cùng một mục đích, trình bày lợi thế về độ phức tạp truy vấn quyết định của phương pháp lượng tử dựa trên thuộc tính duy nhất của phép đo lượng tử.
Hình ảnh nổi bật: Một đơn phân của phức hợp Fenna-Matthews-Olson (FMO) được hiển thị ở bên trái, với hệ thống con chức năng ba mang màu được hiển thị bằng màu xanh lá cây đậm. Sự tiến hóa động học của các quần thể của mô hình phức hợp FMO được hiển thị ở bên phải, với các dấu chấm biểu thị kết quả được mô phỏng bằng thuật toán lượng tử của chúng tôi trên trình mô phỏng lượng tử của IBM. Các dấu chấm phù hợp với các đường cong được tạo ra bằng các phương pháp số cổ điển.
Tóm tắt phổ biến
► Dữ liệu BibTeX
► Tài liệu tham khảo
[1] S. Kais. Thông tin lượng tử và tính toán cho hóa học. John Wiley & Sons, 2014.
[2] Y. Cao, J. Romero, JP Olson, M. Degroote, PD Johnson, M. Kieferová, ID Kivlichan, T. Menke, B. Peropadre, NPD Sawaya, S. Sim, L. Veis và A. Aspuru-Guzik . Hóa học lượng tử trong thời đại máy tính lượng tử. Chèm. Rev., 119 (19): 10856–10915, 2019. 10.1021 / acs.chemrev.8b00803.
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.8b00803
[3] B. Bauer, S. Bravyi, M. Motta và G. Kin-Lic Chan. Các thuật toán lượng tử cho hóa học lượng tử và khoa học vật liệu lượng tử. Chèm. Rev., 120 (22): 12685–12717, 2020. 10.1021 / acs.chemrev.9b00829.
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.9b00829
[4] K. Head-Marsden, J. Flick, CJ Ciccarino và P. Narang. Thông tin lượng tử và các thuật toán cho vật chất lượng tử tương quan. Chèm. Rev., 121 (5): 3061–3120, 2021a. 10.1021 / acs.chemrev.0c00620.
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.0c00620
[5] H.-Y. Huang, R. Kueng và J. Preskill. Dự đoán nhiều thuộc tính của hệ lượng tử từ rất ít phép đo. Vật lý tự nhiên, 16 (10): 1050–1057, 2020. 10.1038 / s41567-020-0932-7.
https://doi.org/10.1038/s41567-020-0932-7
[6] AM Childs, D. Maslov, Y. Nam, NJ Ross, và Y. Su. Hướng tới mô phỏng lượng tử đầu tiên với tốc độ tăng tốc lượng tử. Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, 115 (38): 9456–9461, 2018. 10.1073 / pnas.1801723115.
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1801723115
[7] H.-P. Breuer và F. Petruccione. Lý thuyết về các hệ lượng tử mở. Nhà xuất bản Đại học Oxford, 2002.
[8] H. Wang, S. Ashhab và F. Nori. Thuật toán lượng tử để mô phỏng động lực học của một hệ lượng tử mở. Thể chất. Rev. A, 83: 062317, 2011. 10.1103 / PhysRevA.83.062317.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.062317
[9] D.-S. Wang, DW Berry, MC de Oliveira và BC Sanders. Chiến lược phân tách Solovay-kitaev cho các kênh qubit đơn. Thể chất. Rev. Lett., 111: 130504, 2013. 10.1103 / PhysRevLett.111.130504.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.111.130504
[10] S.-J. Wei, D. Ruan và G.-L. Dài. Thuật toán lượng tử đối ngẫu mô phỏng hiệu quả các hệ thống lượng tử mở. Khoa học. Bản đại diện, 6 (1): 30727, năm 2016. 10.1038 / srep30727.
https: / / doi.org/ 10.1038 / srep30727
[11] R. Di Candia, JS Pedernales, A. del Campo, E. Solano và J. Casanova. Mô phỏng lượng tử các quá trình tiêu tán mà không cần kỹ thuật hồ chứa. Khoa học. Rep., 5 (1): 9981, 2015. 10.1038 / srep09981.
https: / / doi.org/ 10.1038 / srep09981
[12] R. Sweke, I. Sinayskiy, D. Bernard và F. Petruccione. Mô phỏng phổ quát các hệ lượng tử mở Markovian. Thể chất. Rev. A, 91: 062308, 2015. 10.1103 / PhysRevA.91.062308.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.91.062308
[13] G. García-Pérez, MAC Rossi và S. Maniscalco. Ibm q trải nghiệm như một máy thí nghiệm đa năng để mô phỏng các hệ lượng tử mở. NPJ Lượng tử. Inf., 6 (1): 1, 2020. 10.1038 / s41534-019-0235-y.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-019-0235-y
[14] AM Childs và T. Li. Mô phỏng hiệu quả các động lực lượng tử markovian thưa thớt. arXiv bản in trước arXiv: 1611.05543, 2016. 10.26421 / QIC17.11-12.
https: / â € trận / â € doi.org/â $$$ 10.26421 / â € QIC17.11-12
arXiv: 1611.05543
[15] M. Kliesch, T. Barthel, C. Gogolin, M. Kastoryano và J. Eisert. Định lý điều chỉnh nhà thờ lượng tử phân tán. Thể chất. Rev. Lett., 107: 120501, 2011. 10.1103 / PhysRevLett.107.120501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.120501
[16] Z. Hu, R. Xia và S. Kais. Một thuật toán lượng tử để phát triển động lực lượng tử mở trên các thiết bị tính toán lượng tử. Khoa học. Đại diện, 10 (1): 3301, 2020. 10.1038 / s41598-020-60321-x.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41598-020-60321-x
[17] K. Head-Marsden và DA Mazziotti. Tập hợp các quỹ đạo của lindblad cho các động lực học phi Markovian. Thể chất. Rev. A, 99: 022109, 2019a. 10.1103 / PhysRevA.99.022109.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022109
[18] K. Head-Marsden và DA Mazziotti. Đáp ứng số liệu thống kê về fermionic trong mô hình động lực học phi Markovian với ma trận mật độ giảm một điện tử. J. Chèm. Phys., 151 (3): 034111, 2019b. 10.1063 / 1.5100143.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5100143
[19] K. Head-Marsden, S. Krastanov, DA Mazziotti, và P. Narang. Ghi lại động lực học phi Markovian trên máy tính lượng tử thời hạn gần. Thể chất. Nghiên cứu của Rev., 3: 013182, 2021b. 10.1103 / PhysRevResearch.3.013182.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013182
[20] H. Nakazato, Y. Hida, K. Yuasa, B. Militello, A. Napoli và A. Messina. Lời giải của phương trình lindblad trong biểu diễn kraus. Thể chất. Rev. A, 74: 062113, 2006. 10.1103 / PhysRevA.74.062113.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.74.062113
[21] E. Andersson, JD Cresser, và MJW Hall. Tìm phép phân rã Kraus từ một phương trình chính và ngược lại. J. Mod. Opt., 54 (12): 1695–1716, 2007. 10.1080 / 09500340701352581.
https: / / doi.org/ 10.1080 / 09500340701352581
[22] RE Blankenship. Các cơ chế phân tử của quang hợp. Ed thứ 2. Chichester, West Sussex, Vương quốc Anh: Wiley / Blackwell, 2014.
[23] DL Andrews và AA Demidov. Chuyển giao năng lượng cộng hưởng. Wiley, 1999.
[24] RJ Sension. Con đường lượng tử để quang hợp. Nature, 446 (7137): 740–741, 2007. 10.1038 / 446740a.
https: / / doi.org/ 10.1038 / 446740a
[25] J. Barroso-Flores. Sự phát triển của phức hợp Fenna – Matthews – Olson và các đặc điểm kết hợp lượng tử của nó. cái nào đã dẫn đường? Trung tâm ACS. Khoa học viễn tưởng, 3 (10): 1061–1062, 2017. 10.1021 / acscentsci.7b00386.
https: / / doi.org/ 10.1021 / acscentsci.7b00386
[26] A. Ishizaki và GR Fleming. Kiểm tra lý thuyết về sự kết hợp lượng tử trong một hệ thống quang hợp ở nhiệt độ sinh lý. Proc. Natl. Acad. Khoa học viễn tưởng, 106 (41): 17255–17260, 2009a. 10.1073 / pnas.0908989106.
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.0908989106
[27] A. Ishizaki và GR Fleming. Xử lý thống nhất các động lực nhảy mạch nhất quán và không mạch lạc lượng tử trong truyền năng lượng điện tử: Phương pháp tiếp cận phương trình phân cấp giảm. J. Chèm. Phys., 130 (23): 234111, 2009b. 10.1063 / 1.3155372.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.3155372
[28] J. Zhu, S. Kais, A. Aspuru-Guzik, S. Rodriques, B. Brock và PJ Love. Sự tiến hóa rối lượng tử đa phân tử trong các phức hợp quang hợp. J. Chèm. Phys., 137 (7): 074112, 2012. 10.1063 / 1.4742333.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4742333
[29] E. Thyrhaug, R. Tempelaar, MJP Alcocer, K. Žídek, D. Bína, J. Knoester, TLC Jansen và D. Zigmantas. Xác định và mô tả đặc điểm của các đồng dạng đa dạng trong phức hợp Fenna – Matthews – Olson. Nat. Chem., 10 (7): 780–786, 2018. 10.1038 / s41557-018-0060-5.
https://doi.org/10.1038/s41557-018-0060-5
[30] S. Irgen-Gioro, K. Gururangan, RG Saer, RE Blankenship và E. Harel. Vòng đời kết hợp điện tử của phức hợp fenna – matthews – olson và phức hợp thu ánh sáng ii. Chèm. Khoa học viễn tưởng, 10: 10503–10509, 2019. 10.1039 / C9SC03501J.
https: / / doi.org/ 10.1039 / C9SC03501J
[31] SA Oh, DF Coker và DAW Hutchinson. Tối ưu hóa việc vận chuyển năng lượng trong phức hợp fenna-matthews-olson thông qua các tương tác protein-sắc tố thay đổi theo vị trí. J. Chèm. Phys., 150 (8): 085102, 2019. 10.1063 / 1.5048058.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5048058
[32] Y. Suzuki, H. Watanabe, Y. Okiyama, K. Ebina và S. Tanaka. Nghiên cứu so sánh về đánh giá thông số mô hình đối với động lực truyền năng lượng trong phức hợp Fenna – Matthews – Olson. Chèm. Phys., 539: 110903, 2020. https: / / doi.org/ 10.1016 / j.chemphys.2020.110903.
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.chemphys.2020.110903
[33] Y. Kim, D. Morozov, V. Stadnytskyi, S. Savikhin và LV Slipchenko. Mô hình dự đoán nguyên tắc đầu tiên của một protein ăng ten quang hợp: Phức hợp fenna – matthews – olson. J. Vật lý. Chèm. Lett., 11 (5): 1636–1643, 2020. 10.1021 / acs.jpclett.9b03486.
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jpclett.9b03486
[34] S.-H. Yeh, J. Zhu và S. Kais. Động lực dân số và gắn kết trong phức hợp thu hoạch ánh sáng ii (lh2). J. Chèm. Phys., 137 (8): 084110, 2012. 10.1063 / 1.4747622.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4747622
[35] Z. Hu, GS Engel và S. Kais. Ảnh hưởng của ống góp kích thích kép lên động lực truyền exciton và hiệu quả thu ánh sáng mạch lạc. Thể chất. Chèm. Chèm. Phys., 20: 30032–30040, 2018. 10.1039 / C8CP05535A.
https: / / doi.org/ 10.1039 / C8CP05535A
[36] P. Gupta và CM Chandrashekar. Khung mô phỏng lượng tử kỹ thuật số để vận chuyển năng lượng trong một hệ thống lượng tử mở. New J. Phys., 22 (12): 123027, 2020. 10.1088 / 1367-2630 / abcdc9.
https: / / doi.org/ 10.1088/1367-2630 / abcdc9
[37] M. Mahdian và HD Yeganeh. Mô phỏng lượng tử của phức hợp fmo bằng cách sử dụng một nhóm bán tham số của bộ tạo. Braz. J. Phys., 50 (6): 807–813, 2020. 10.1007 / s13538-020-00804-4.
https://doi.org/10.1007/s13538-020-00804-4
[38] M. Mahdian, HD Yeganeh và A. Dehghani. Động lực học mô phỏng lượng tử và tổng hợp mạch phức fmo trên máy tính lượng tử nmr. Int. J. Quantum Inf., 18 (06): 2050034, 2020. 10.1142 / S0219749920500343.
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0219749920500343
[39] H. Abraham và cộng sự. Qiskit: Khung mã nguồn mở cho điện toán lượng tử, 2019.
[40] E. Levy và OM Shalit. Lý thuyết giãn nở trong các chiều hữu hạn: Điều có thể, điều không thể và điều chưa biết. Rocky Mountain J. Math., 44 (1): 203–221, 2014. 10.1216 / RMJ-2014-44-1-203.
https://doi.org/10.1216/RMJ-2014-44-1-203
[41] A. Krishnamoorthy và D. Menon. Đảo ngược ma trận bằng cách sử dụng phân rã cholesky. Trong 2013 Xử lý tín hiệu: Thuật toán, Kiến trúc, Sắp xếp và Ứng dụng (SPA), trang 70–72, 2013.
[42] MA Nielson và IL Chuang. Tính toán lượng tử và thông tin lượng tử: Phiên bản kỷ niệm 10 năm. Nhà xuất bản Đại học Cambridge, 2011.
[43] GS Engel, TR Calhoun, EL Read, T.-K. Ahn, T. Mančal, Y.-C. Cheng, RE Blankenship, và GR Fleming. Bằng chứng cho sự truyền năng lượng như sóng thông qua liên kết lượng tử trong hệ thống quang hợp. Nature, 446 (7137): 782–786, 2007. 10.1038 / nature05678.
https: / / doi.org/ 10.1038 / thiên nhiên05678
[44] GD Scholes, GR Fleming, LX Chen, A. Aspuru-Guzik, A. Buchleitner, DF Coker, GS Engel, R. van Grondelle, A. Ishizaki, DM Jonas, JS Lundeen, JK McCusker, S. Mukamel, JP Ogilvie, A. Olaya-Castro, MA Ratner, FC Spano, KB Whaley và X. Zhu. Sử dụng kết hợp để tăng cường chức năng trong các hệ thống hóa học và lý sinh. Nature, 543 (7647): 647–656, 2017. 10.1038 / nature21425.
https: / / doi.org/ 10.1038 / thiên nhiên21425
[45] J. Adolphs và T. Renger. Làm thế nào các protein kích hoạt chuyển giao năng lượng kích thích trong phức hợp fmo của vi khuẩn lưu huỳnh màu xanh lá cây. Lý sinh. J., 91 (8): 2778 - 2797, 2006. https: / / doi.org/ 10.1529 / biophysj.105.079483.
https: / / doi.org/ 10.1529 / biophysj.105.079483
[46] N. Skochdopole và DA Mazziotti. Các hệ thống con chức năng và sự dư thừa lượng tử trong thu hoạch ánh sáng quang hợp. J. Vật lý. Chèm. Lett., 2 (23): 2989–2993, 2011. 10.1021 / jz201154t.
https: / / doi.org/ 10.1021 / jz201154t
[47] RA Valleau, S.and Studer, F. Häse, C. Kreisbeck, RG Saer, RE Blankenship, EI Shakhnovich và A. Aspuru-Guzik. Sự vắng mặt của sự chọn lọc đối với sự kết hợp lượng tử trong phức hợp fenna – matthews – olson: Một nghiên cứu kết hợp giữa tiến hóa và excitonic. Trung tâm ACS. Khoa học viễn tưởng, 3 (10): 1086–1095, 2017. 10.1021 / acscentsci.7b00269.
https: / / doi.org/ 10.1021 / acscentsci.7b00269
[48] J. Preskill. Điện toán lượng tử trong kỷ nguyên NISQ và hơn thế nữa. Lượng tử, 2: 79, 2018. 10.22331 / q-2018-08-06-79.
https://doi.org/10.22331/q-2018-08-06-79
Trích dẫn
[1] Benjamin A. Cordier, Nicolas PD Sawaya, Gian G. Guerreschi, và Shannon K. McWeeney, “Sinh học và y học trong bối cảnh của lợi thế lượng tử”, arXiv: 2112.00760.
[2] Hirsh Kamakari, Shi-Ning Sun, Mario Motta và Austin J. Minnich, “Mô phỏng lượng tử kỹ thuật số của các hệ lượng tử mở sử dụng quá trình tiến hóa theo thời gian tưởng tượng lượng tử”, PRX lượng tử 3 1, 010320 (2022).
[3] Anthony W. Schlimgen, Kade Head-Marsden, LeeAnn M. Sager, Prineha Narang, và David A. Mazziotti, “Mô phỏng lượng tử của các hệ lượng tử mở sử dụng sự phân rã đơn nhất của các toán tử”, Thư đánh giá vật lý 127 27, 270503 (2021).
[4] Brian Rost, Lorenzo Del Re, Nathan Earnest, Alexander F. Kemper, Barbara Jones, và James K. Freericks, “Trình diễn mô phỏng mạnh mẽ các vấn đề tiêu tán có hướng trên máy tính lượng tử thời hạn gần”, arXiv: 2108.01183.
[5] Scott E. Smart, Zixuan Hu, Sabre Kais và David A. Mazziotti, "Sự thư giãn của các trạng thái tĩnh trên máy tính lượng tử tạo ra dấu vân tay quang phổ duy nhất về tiếng ồn của máy tính", Vật lý truyền thông 5 1, 28 (2022).
[6] Jay Hubisz, Bharath Sambasivam và Judah Unmuth-Yockey, "Các thuật toán lượng tử cho lý thuyết trường mạng tinh thể mở", Đánh giá vật lý A 104 5, 052420 (2021).
[7] Anthony W. Schlimgen, Kade Head-Marsden, LeeAnn M. Sager-Smith, Prineha Narang, và David A. Mazziotti, “Chuẩn bị trạng thái lượng tử và sự tiến hóa không đơn nhất với toán tử đường chéo”, arXiv: 2205.02826.
[8] Adrian TK Tan, Shi-Ning Sun, Ruslan N. Tazhigulov, Garnet Kin-Lic Chan, và Austin J. Minnich, “Nhận ra các pha tôpô được bảo vệ đối xứng trong chuỗi spin-1/2 với bước nhảy lân cận gần nhất trên qubit siêu dẫn ”, arXiv: 2112.10333.
[9] Zixuan Hu và Sabre Kais, "Đặc trưng các mạch lượng tử với cấu hình chức năng qubit", arXiv: 2110.02390.
[10] Zixuan Hu và Saber Kais, "Không gian điều kiện lượng tử", arXiv: 2107.05713.
[11] E. Zapusek, A. Javadi và F. Reiter, “Hoạt động cổng phi đơn vị bằng kỹ thuật phân tán”, arXiv: 2201.12330.
[12] Lorenzo Del Re, Brian Rost, Michael Foss-Feig, AF Kemper, và JK Freericks, “Các phép đo mạnh mẽ của các hàm tương quan điểm n của các hệ thống lượng tử tiêu tán có điều khiển trên máy tính lượng tử kỹ thuật số”, arXiv: 2204.12400.
[13] Federico Gallina, Matteo Bruschi, và Barbara Fresch, “Các chiến lược để mô phỏng vận chuyển lượng tử hỗ trợ dephasing trên máy tính lượng tử kỹ thuật số”, Tạp chí Vật lý mới 24 2, 023039 (2022).
Các trích dẫn trên là từ SAO / NASA ADS (cập nhật lần cuối thành công 2022 / 06-16 13:57:17). Danh sách có thể không đầy đủ vì không phải tất cả các nhà xuất bản đều cung cấp dữ liệu trích dẫn phù hợp và đầy đủ.
On Dịch vụ trích dẫn của Crossref không có dữ liệu về các công việc trích dẫn được tìm thấy (lần thử cuối cùng 2022 / 06-16 13:57:15).
Bài viết này được xuất bản trong Lượng tử dưới Creative Commons Ghi công 4.0 Quốc tế (CC BY 4.0) giấy phép. Bản quyền vẫn thuộc về chủ sở hữu bản quyền gốc như các tác giả hoặc tổ chức của họ.
