Kujutletava aja tõrkekindel Monte Carlo kvantsimulatsioon

Kujutletava aja tõrkekindel Monte Carlo kvantsimulatsioon

Allikasõlm: 1951595

Mingxia Huo1 ja Ying Li2

1Füüsika osakond ja Pekingi magnet-fotoelektriliste komposiitide ja liideste teaduse võtmelabor, matemaatika ja füüsika kool, Pekingi teadus- ja tehnoloogiaülikool, Peking 100083, Hiina
2Hiina Insenerifüüsika Akadeemia Graduate School of China, Peking 100193, Hiina

Kas see artikkel on huvitav või soovite arutada? Scite või jätke SciRate'i kommentaar.

Abstraktne

Mitmekehaliste kvantsüsteemide põhiseisundi omaduste arvutamine on paljutõotav lähiaja kvantriistvara rakendus, millel on potentsiaalne mõju paljudes valdkondades. Tavapärase algoritmi kvantfaasi hindamine kasutab süvaahelaid ja nõuab tõrketaluvusega tehnoloogiaid. Paljud hiljuti välja töötatud kvantsimulatsiooni algoritmid töötavad madalate ahelate ärakasutamiseks ebatäpselt ja varieeruvalt. Selles töös ühendame kvant-Monte Carlo kvantarvutusega ja pakume välja algoritmi kujuteldava aja evolutsiooni simuleerimiseks ja põhiseisundi probleemi lahendamiseks. Valides reaalajas evolutsiooni operaatori juhusliku evolutsiooniajaga vastavalt modifitseeritud Cauchy-Lorentzi jaotusele, saame arvutada kujuteldava aja evolutsioonis vaadeldava eeldatava väärtuse. Meie algoritm läheneb täpsele lahendusele, kui ahela sügavus suureneb soovitud täpsusega polülogaritmiliselt. Võrreldes kvantfaasi hinnanguga võib Trotteri sammuarv ehk vooluringi sügavus olla tuhandeid kordi väiksem, et saavutada sama täpsus põhiseisundi energias. Kontrollime erinevate mudelite arvulises simulatsioonis vastupidavust traavimisvigade suhtes, mis on põhjustatud piiratud vooluringi sügavusest. Tulemused näitavad, et Monte Carlo kvantsimulatsioon on paljutõotav isegi ilma täielikult tõrketaluva kvantarvutita.

► BibTeX-i andmed

► Viited

[1] Richard P. Feynman. Füüsika simuleerimine arvutitega. Rahvusvaheline J. Teoreet. Phys., 21 (6–7): 467–488, juuni 1982. 10.1007/bf02650179.
https://​/​doi.org/​10.1007/​bf02650179

[2] Seth Lloyd. Universaalsed kvantsimulaatorid. Science, 273 (5278): 1073–1078, aug 1996. 10.1126/​teadus.273.5278.1073.
https://​/​doi.org/​10.1126/​science.273.5278.1073

[3] J. Carlson, S. Gandolfi, F. Pederiva, Steven C. Pieper, R. Schiavilla, KE Schmidt ja RB Wiringa. Quantum Monte Carlo meetodid tuumafüüsika jaoks. Rev. Mod. Phys., 87 (3): 1067–1118, september 2015. 10.1103/​revmodphys.87.1067.
https://​/​doi.org/​10.1103/​revmodphys.87.1067

[4] BL Hammond, WA Lester ja PJ Reynolds. Monte Carlo meetodid Ab Initio kvantkeemias. WORLD SCIENTIFIC, märts 1994. 10.1142/​1170.
https://​/​doi.org/​10.1142/​1170

[5] WMC Foulkes, L. Mitas, RJ Needs ja G. Rajagopal. Tahkete ainete kvant-monte Carlo simulatsioonid. Rev. Mod. Phys., 73 (1): 33–83, jaanuar 2001. 10.1103/​revmodphys.73.33.
https://​/​doi.org/​10.1103/​revmodphys.73.33

[6] U. Schollwöck. Tihedusmaatriksi renormaliseerimise rühm. Rev. Mod. Phys., 77 (1): 259–315, aprill 2005. 10.1103/​revmodphys.77.259.
https://​/​doi.org/​10.1103/​revmodphys.77.259

[7] Daniel S. Abrams ja Seth Lloyd. Kvantalgoritm, mis tagab eksponentsiaalse kiiruse suurendamise omaväärtuste ja omavektorite leidmiseks. Phys. Rev. Lett., 83 (24): 5162–5165, detsember 1999. 10.1103/​physrevlett.83.5162.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.83.5162

[8] Alán Aspuru-Guzik, Anthony D. Dutoi, Peter J. Love ja Martin Head-Gordon. Molekulaarenergiate simuleeritud kvantarvutus. Science, 309 (5741): 1704–1707, september 2005. 10.1126/teadus.1113479.
https://​/​doi.org/​10.1126/​science.1113479

[9] Dave Wecker, Bela Bauer, Bryan K. Clark, Matthew B. Hastings ja Matthias Troyer. Värava arvu hinnangud kvantkeemia teostamiseks väikestes kvantarvutites. Phys. Rev. A, 90 (2): 022305, august 2014. 10.1103/​physreva.90.022305.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physreva.90.022305

[10] Markus Reiher, Nathan Wiebe, Krysta M. Svore, Dave Wecker ja Matthias Troyer. Reaktsioonimehhanismide selgitamine kvantarvutites. Proc. Natl. Acad. Sci., 114 (29): 7555–7560, juuli 2017. 10.1073/pnas.1619152114.
https://​/​doi.org/​10.1073/​pnas.1619152114

[11] Ryan Babbush, Craig Gidney, Dominic W. Berry, Nathan Wiebe, Jarrod McClean, Alexandru Paler, Austin Fowler ja Hartmut Neven. Elektrooniliste spektrite kodeerimine lineaarse t keerukusega kvantahelates. Phys. Rev. X, 8 (4): 041015, okt 2018. 10.1103/​physrevx.8.041015.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevx.8.041015

[12] Emanuel Knill, Raymond Laflamme ja Wojciech H. Zurek. Elastne kvantarvutus. Science, 279 (5349): 342–345, jaan 1998. 10.1126/teadus.279.5349.342.
https://​/​doi.org/​10.1126/​science.279.5349.342

[13] Austin G. Fowler, Matteo Mariantoni, John M. Martinis ja Andrew N. Cleland. Pinnakoodid: praktilise suuremahulise kvantarvutuse suunas. Phys. Rev. A, 86 (3): 032324, september 2012. 10.1103/​physreva.86.032324.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physreva.86.032324

[14] John Preskill. Kvantarvutus NISQ ajastul ja pärast seda. Quantum, 2: 79, aug 2018. 10.22331/q-2018-08-06-79.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[15] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J. Love, Alán Aspuru-Guzik ja Jeremy L. O'Brien. Variatsiooniline omaväärtuse lahendaja fotoonilisel kvantprotsessoril. Nat. Commun., 5 (1), juuli 2014. 10.1038/ncomms5213.
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms5213

[16] Dave Wecker, Matthew B. Hastings ja Matthias Troyer. Edusammud praktiliste kvantvariatsioonialgoritmide suunas. Phys. Rev. A, 92 (4): 042303, okt 2015. 10.1103/​physreva.92.042303.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physreva.92.042303

[17] Sam McArdle, Tyson Jones, Suguru Endo, Ying Li, Simon C. Benjamin ja Xiao Yuan. Variatsiooniline ansatz-põhine kujuteldava aja evolutsiooni kvantsimulatsioon. npj Quantum Inf., 5 (1), september 2019. 10.1038/​s41534-019-0187-2.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0187-2

[18] Mario Motta, Chong Sun, Adrian TK Tan, Matthew J. O'Rourke, Erika Ye, Austin J. Minnich, Fernando GSL Brandão ja Garnet Kin-Lic Chan. Omaseisundite ja termiliste olekute määramine kvantarvutis kvantimaginaarse ajaevolutsiooni abil. Nature Physics, 16 (2): 205–210, nov 2019. 10.1038/​s41567-019-0704-4.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-019-0704-4

[19] Sheng-Hsuan Lin, Rohit Dilip, Andrew G. Green, Adam Smith ja Frank Pollmann. Reaal- ja kujuteldav evolutsioon tihendatud kvantahelatega. PRX Quantum, 2 (1): 010342, märts 2021. 10.1103/prxquantum.2.010342.
https://​/​doi.org/​10.1103/​prxquantum.2.010342

[20] William J. Huggins, Bryan A. O'Gorman, Nicholas C. Rubin, David R. Reichman, Ryan Babbush ja Joonho Lee. Erapooletu fermionic quantum monte carlo koos kvantarvutiga. Nature, 603 (7901): 416–420, märts 2022. 10.1038/​s41586-021-04351-z.
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41586-021-04351-z

[21] Andrei Alexandru, Gökçe Başar, Paulo F. Bedaque, Sohan Vartak ja Neill C. Warrington. Monte Carlo reaalajas võre dünaamika uuring. Phys. Rev. Lett., 117 (8): 081602, aug 2016. 10.1103/​physrevlett.117.081602.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.117.081602

[22] Guifré Vidal. Ühemõõtmeliste mitmekehaliste kvantsüsteemide tõhus simulatsioon. Phys. Rev. Lett., 93 (4): 040502, juuli 2004. 10.1103/​physrevlett.93.040502.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.93.040502

[23] GC Wick. Bethe-salpeteri lainefunktsioonide omadused. Phys. Rev., 96 (4): 1124–1134, nov 1954. 10.1103/​physrev.96.1124.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrev.96.1124

[24] Tong Liu, Jin-Guo Liu ja Heng Fan. Tõenäosuslik mitteühtne värav kujuteldavas aja evolutsioonis. Quantum Inf. Protsess, 20 (6), juuni 2021. 10.1007/s11128-021-03145-6.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11128-021-03145-6

[25] F. Turro, A. Roggero, V. Amitrano, P. Luchi, KA Wendt, JL Dubois, S. Quaglioni ja F. Pederiva. Kujutletava aja levik kvantkiibil. Phys. Rev. A, 105 (2): 022440, veebruar 2022. 10.1103/​physreva.105.022440.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physreva.105.022440

[26] Yongdan Yang, Bing-Nan Lu ja Ying Li. Kiirendatud quantum monte carlo vähendatud veaga mürarikkas kvantarvutis. PRX Quantum, 2 (4): 040361, detsember 2021. 10.1103/prxquantum.2.040361.
https://​/​doi.org/​10.1103/​prxquantum.2.040361

[27] DFB ten Haaf, HJM van Bemmel, JMJ van Leeuwen, W. van Saarloos ja DM Ceperley. Fikseeritud sõlmega monte carlo ülemise piiri tõestus võre fermionide jaoks. Phys. Rev. B, 51 (19): 13039–13045, mai 1995. 10.1103/​physrevb.51.13039.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevb.51.13039

[28] Mario Motta ja Shiwei Zhang. Molekulaarsüsteemide ab initio arvutused abivälja kvant-monte carlo meetodil. WIREs Comput. Mol. Sci., 8 (5), mai 2018. 10.1002/wcms.1364.
https://​/​doi.org/​10.1002/​wcms.1364

[29] Joonho Lee, Dominic W. Berry, Craig Gidney, William J. Huggins, Jarrod R. McClean, Nathan Wiebe ja Ryan Babbush. Veelgi tõhusamad keemia kvantarvutused tensori hüperkontraktsiooni kaudu. PRX Quantum, 2 (3): 030305, juuli 2021. 10.1103/​prxquantum.2.030305.
https://​/​doi.org/​10.1103/​prxquantum.2.030305

[30] Artur K. Ekert, Carolina Moura Alves, Daniel KL Oi, Michał Horodecki, Paweł Horodecki ja LC Kwek. Kvantseisundi lineaarsete ja mittelineaarsete funktsionaalide otsesed hinnangud. Phys. Rev. Lett., 88 (21): 217901, mai 2002. 10.1103/​physrevlett.88.217901.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.88.217901

[31] Sirui Lu, Mari Carmen Bañuls ja J. Ignacio Cirac. Lõpliku energiaga kvantsimulatsiooni algoritmid. PRX Quantum, 2 (2): 020321, mai 2021. 10.1103/​prxquantum.2.020321.
https://​/​doi.org/​10.1103/​prxquantum.2.020321

[32] Thomas E. O'Brien, Stefano Polla, Nicholas C. Rubin, William J. Huggins, Sam McArdle, Sergio Boixo, Jarrod R. McClean ja Ryan Babbush. Vea leevendamine kontrollitud faasihinnangu abil. PRX Quantum, 2 (2): 020317, mai 2021. 10.1103/prxquantum.2.020317.
https://​/​doi.org/​10.1103/​prxquantum.2.020317

[33] Michael A. Nielsen ja Isaac L. Chuang. Kvantarvutus ja kvantteave. Cambridge University Press, juuni 2012. 10.1017/cbo9780511976667.
https://​/​doi.org/​10.1017/​cbo9780511976667

[34] Dominic W. Berry, Graeme Ahokas, Richard Cleve ja Barry C. Sanders. Tõhusad kvantalgoritmid hõredate hamiltonilaste simuleerimiseks. Comm. matemaatika. Phys., 270 (2): 359–371, detsember 2006. 10.1007/​s00220-006-0150-x.
https://​/​doi.org/​10.1007/​s00220-006-0150-x

[35] Nathan Wiebe, Dominic Berry, Peter Høyer ja Barry C Sanders. Järjestatud operaatori eksponentsiaalide kõrgemat järku dekompositsioonid. J. Phys. V: Matemaatika. Theor., 43 (6): 065203, jaanuar 2010. 10.1088/​1751-8113/​43/​6/​065203.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​43/​6/​065203

[36] Andrew M. Childs ja Nathan Wiebe. Hamiltoni simulatsioon unitaartehte lineaarsete kombinatsioonide abil. Quantum Inf. Comput., 12 (11 ja 12): 901–924, nov 2012. 10.26421/qic12.11-12-1.
https://​/​doi.org/​10.26421/​qic12.11-12-1

[37] Dominic W. Berry, Andrew M. Childs, Richard Cleve, Robin Kothari ja Rolando D. Somma. Hamiltoni dünaamika simuleerimine kärbitud taylori seeriaga. Phys. Rev. Lett., 114 (9): 090502, märts 2015. 10.1103/​physrevlett.114.090502.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.114.090502

[38] Guang Hao Low ja Isaac L. Chuang. Optimaalne Hamiltoni simulatsioon kvantsignaalitöötluse abil. Phys. Rev. Lett., 118 (1): 010501, jaanuar 2017. 10.1103/​physrevlett.118.010501.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.118.010501

[39] Earl Campbell. Juhuslik kompilaator kiireks Hamiltoni simulatsiooniks. Phys. Rev. Lett., 123 (7): 070503, aug 2019. 10.1103/​physrevlett.123.070503.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.123.070503

[40] Andrew M. Childs, Aaron Ostrander ja Yuan Su. Kiirem kvantsimulatsioon randomiseerimise teel. Quantum, 3: 182, september 2019. 10.22331/q-2019-09-02-182.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-09-02-182

[41] Paul K. Faehrmann, Mark Steudtner, Richard Kueng, Maria Kieferova ja Jens Eisert. Mitme toote valemite randomiseerimine Hamiltoni simulatsiooni jaoks. Quantum, 6: 806, september 2022. ISSN 2521-327X. 10.22331/q-2022-09-19-806. URL https://​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-09-19-806.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-09-19-806

[42] Richard Meister, Simon C. Benjamin ja Earl T. Campbell. Terminite kärpimiste kohandamine elektrooniliste struktuuride arvutuste jaoks, kasutades unitaaride lineaarset kombinatsiooni. Quantum, 6: 637, veebruar 2022. 10.22331/q-2022-02-02-637.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-02-02-637

[43] Jarrod R. McClean, Mollie E. Kimchi-Schwartz, Jonathan Carter ja Wibe A. de Jong. Hübriidne kvantklassikaline hierarhia dekoherentsi leevendamiseks ja ergastatud olekute määramiseks. Phys. Rev. A, 95 (4): 042308, aprill 2017. 10.1103/​physreva.95.042308.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physreva.95.042308

[44] Robert M. Parrish ja Peter L. McMahon. Kvantfiltri diagonaliseerimine: kvant omajagu ilma täieliku kvantfaasi hinnanguta. september 2019. https://​/​arxiv.org/​abs/​1909.08925.
arXiv: 1909.08925

[45] Nicholas H. Stair, Renke Huang ja Francesco A. Evangelista. Mitmereferentsiline kvantkrülovi algoritm tugevalt korrelatsiooniga elektronide jaoks. J. Chem. Theory Comput., 16 (4): 2236–2245, veebruar 2020. 10.1021/acs.jctc.9b01125.
https://​/​doi.org/​10.1021/​acs.jctc.9b01125

[46] Ethan N. Epperly, Lin Lin ja Yuji Nakatsukasa. Kvant-alaruumi diagonaliseerimise teooria. SIAM Journal on Matrix Analysis and Applications, 43 (3): 1263–1290, aug 2022. 10.1137/​21m145954x.
https://​/​doi.org/​10.1137/​21m145954x

[47] Thomas E O'Brien, Brian Tarasinski ja Barbara M Terhal. Mitme omaväärtuse kvantfaasi hindamine väikesemahuliste (mürarikaste) katsete jaoks. Uus J. Phys., 21 (2): 023022, veebruar 2019. 10.1088/​1367-2630/​aafb8e.
https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aafb8e

[48] Rolando D Somma. Kvantomaväärtuse hindamine aegridade analüüsi abil. New J. Phys., 21 (12): 123025, detsember 2019. 10.1088/​1367-2630/​ab5c60.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab5c60

[49] A. Roggero. Spektritiheduse hindamine Gaussi integraalteisendusega. Phys. Rev. A, 102 (2): 022409, august 2020. 10.1103/​physreva.102.022409.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physreva.102.022409

[50] AE Russo, KM Rudinger, BCA Morrison ja AD Baczewski. Energiaerinevuste hindamine kvantarvutis tugeva faasihinnanguga. Phys. Rev. Lett., 126 (21): 210501, mai 2021. 10.1103/​physrevlett.126.210501.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.126.210501

[51] Kianna Wan, Mario Berta ja Earl T. Campbell. Juhuslik kvantalgoritm statistilise faasi hindamiseks. Phys. Rev. Lett., 129 (3): 030503, juuli 2022. 10.1103/​physrevlett.129.030503.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.129.030503

[52] Yuan Liu, Minsik Cho ja Brenda Rubenstein. Ab initio lõplik temperatuuriga abiväli quantum monte carlo. Journal of Chemical Theory and Computation, 14 (9): 4722–4732, aug 2018. 10.1021/acs.jctc.8b00569.
https://​/​doi.org/​10.1021/​acs.jctc.8b00569

[53] Yuan-Yao He, Mingpu Qin, Hao Shi, Zhong-Yi Lu ja Shiwei Zhang. Piiratud temperatuuriga abivälja quantum monte carlo: iseseisev piirang ja süstemaatiline lähenemine madalatele temperatuuridele. Physical Review B, 99 (4): 045108, jaanuar 2019. 10.1103/​physrevb.99.045108.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevb.99.045108

[54] Tyson Jones ja Simon Benjamin. QUESTlink – riistvaraliselt optimeeritud kvantemulaatori abil loodud matemaatika. Quantum Sci. Technol., 5 (3): 034012, mai 2020. 10.1088/​2058-9565/​ab8506.
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ab8506

[55] G. Ortiz, JE Gubernatis, E. Knill ja R. Laflamme. Kvantalgoritmid fermiooniliste simulatsioonide jaoks. Phys. Rev. A, 64 (2): 022319, juuli 2001. 10.1103/​physreva.64.022319.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physreva.64.022319

[56] https://​/​qiskit.org/​documentation/​nature/​.
https://​/​qiskit.org/​documentation/​nature/​

Viidatud

[1] Keisuke Matsumoto, Yuta Shingu, Suguru Endo, Shiro Kawabata, Shohei Watabe, Tetsuro Nikuni, Hideaki Hakoshima ja Yuichiro Matsuzaki, "Gibbsi partitsioonifunktsiooni arvutamine mõttelise aja arenguga lähiaja kvantarvutites". Japanese Journal of Applied Physics 61 4, 042002 (2022).

[2] Yu-Rong Shu, Shao-Kai Jian ja Shuai Yin, "Nonequilibrium Dynamics of Deconfined Quantum Critical Point in Imaginary Time", Physical Review Letters 128 2, 020601 (2022).

[3] Pei Zeng, Jinzhao Sun ja Xiao Yuan, "Universaalne kvantalgoritmiline jahutamine kvantarvutis", arXiv: 2109.15304, (2021).

[4] Yifei Huang, Yuguo Shao, Weiluo Ren, Jinzhao Sun ja Dingshun Lv, "Tõhus kvantkujutlusaja evolutsioon reaalajas evolutsiooni triivimise teel: madala värava ja mõõtmise keerukusega lähenemisviis", arXiv: 2203.11112, (2022).

[5] Yukun Zhang, Yifei Huang, Jinzhao Sun, Dingshun Lv ja Xiao Yuan, "Quantum Computing Quantum Monte Carlo", arXiv: 2206.10431, (2022).

[6] Zongkang Zhang, Anbang Wang, Xiaosi Xu ja Ying Li, "Mõõtmistõhus kvant-Krylovi alamruumi diagonaliseerimine", arXiv: 2301.13353, (2023).

[7] Qingxing Xie, Yi Song ja Yan Zhao, "Sine Hamiltoni operaatori võimsus kvantarvutite omaseisundi energia hindamiseks", arXiv: 2209.14801, (2022).

Ülaltoodud tsitaadid on pärit SAO/NASA KUULUTUSED (viimati edukalt värskendatud 2023-02-11 13:59:14). Loend võib olla puudulik, kuna mitte kõik väljaandjad ei esita sobivaid ja täielikke viiteandmeid.

On Crossrefi viidatud teenus teoste viitamise andmeid ei leitud (viimane katse 2023-02-11 13:59:12).

Ajatempel:

Veel alates Quantum Journal