Teljes áramkör-alapú kvantum-algoritmus gerjesztett állapotokhoz a kvantumkémiában

Teljes áramkör-alapú kvantum-algoritmus gerjesztett állapotokhoz a kvantumkémiában

Forrás csomópont: 2428655

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

1Állami Key Laboratory of Low-Dimensional Quantum Physics and Physics Department, Tsinghua University, Peking 100084, Kína
2China Mobile (Suzhou) Software Technology Company Limited, Suzhou 215163, Kína
3Pekingi Kvantuminformációs Tudományok Akadémia, Peking 100193, Kína
4Fizikai Intézet, Kínai Tudományos Akadémia, Peking 100190, Kína
5Fizikai Tudományok Iskola, Kínai Tudományos Akadémia Egyeteme, Peking 100190, Kína
6Frontier Science Center for Quantum Information, Peking 100084, Kína
7Pekingi Nemzeti Információtudományi és Technológiai Kutatóközpont, Peking 100084, Kína

Érdekesnek találja ezt a cikket, vagy szeretne megvitatni? Scite vagy hagyjon megjegyzést a SciRate-en.

Absztrakt

Napjainkban fontos kutatási terület a kvantumszámítógép alkalmazása a kvantumkémia vizsgálatára. A széles körben vizsgált alapállapot-problémák mellett a gerjesztett állapotok meghatározása döntő szerepet játszik a kémiai reakciók és más fizikai folyamatok előrejelzésében és modellezésében. Itt egy nem variációs, teljes áramkör-alapú kvantum algoritmust javasolunk egy kvantumkémiai Hamilton-féle gerjesztett állapot spektrumának meghatározására. A korábbi klasszikus-kvantum hibrid variációs algoritmusokhoz képest módszerünk kiküszöböli a klasszikus optimalizálási folyamatot, csökkenti a különböző rendszerek közötti kölcsönhatások által okozott erőforrás-költséget, és gyorsabb konvergencia sebességet és erősebb zaj elleni robusztusságot ér el meddő plató nélkül. A következő energiaszint meghatározásához szükséges paraméterfrissítés természetesen az előző energiaszint energiamérési kimeneteitől függ, és csak a mellékrendszer állapot-előkészítési folyamatának módosításával, kevés többlet erőforrás ráfordítással valósítható meg. Bemutatjuk az algoritmus numerikus szimulációit hidrogén, LiH, H2O és NH3 molekulákkal. Továbbá az algoritmus kísérleti bemutatását kínáljuk szupravezető kvantumszámítási platformon, és az eredmények jó egyezést mutatnak az elméleti elvárásokkal. Az algoritmus széles körben alkalmazható különféle Hamilton-féle spektrummeghatározási problémákra a hibatűrő kvantumszámítógépeken.

Javasolunk egy teljes kvantum gerjesztett állapotú megoldó (FQESS) algoritmust a kémia Hamilton-spektrumának hatékony és állandó meghatározására a jövőbeni hibatűrő kvantumszámításhoz. A klasszikus-kvantumhibrid variációs algoritmusokhoz képest módszerünk kiküszöböli az optimalizálási folyamatot a klasszikus számítógépekben, és a különböző energiaszintekhez tartozó paraméterfrissítés egyszerűen megvalósítható a kiegészítő rendszer állapot-előkészítési folyamatának módosításával a korábbi energiamérések alapján. szinten, ami kísérletileg barátságos. Sőt, a nem variációs jelleg biztosíthatja, hogy az algoritmus a leggyorsabb gradiens süllyedés irányában konvergáljon a célállapotokhoz, elkerülve a meddő fennsík jelenséget. Munkánk a kvantumkémiai feladatok megoldásának utolsó lépését tölti be különböző algoritmuskeretek alapján.

► BibTeX adatok

► Referenciák

[1] Paul Benioff. A számítógép mint fizikai rendszer: Számítógépek mikroszkopikus kvantummechanikai Hamilton-modellje, amelyet Turing-gépek ábrázolnak. Journal of Statistical physics, 22 (5): 563–591, 1980. 10.1007/BF01011339.
https://​/​doi.org/​10.1007/​BF01011339

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

[3] Peter W Shor. Polinom idejű algoritmusok prímfaktorizáláshoz és diszkrét logaritmusokhoz kvantumszámítógépen. SIAM Review, 41 (2): 303–332, 1999. 10.1137/​S0036144598347011.
https://​/​doi.org/​10.1137/​S0036144598347011

[4] Szeretem K Grover. A kvantummechanika segít a tű keresésében a szénakazalban. 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 és Li Niu. Fázisillesztés a kvantumkeresésben. 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 és Seth Lloyd. Kvantumalgoritmus lineáris egyenletrendszerekhez. 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 és Davide Orsucci. Kvantumalgoritmusok lineáris egyenletrendszerekhez, amelyeket az adiabatikus kvantumszámítás ihletett. Fizikai felülvizsgálati levelek, 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 és mások. Kvantumkémia a kvantumszámítás korában. 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 és Xiao Yuan. Kvantumszámítási kémia. Reviews of Modern Physics, 92 (1): 015003, 2020. 10.1103/​RevModPhys.92.015003.
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.92.015003

[10] Bauer Béla, Sergey Bravyi, Mario Motta és Garnet Kin-Lic Chan. Kvantumalgoritmusok a kvantumkémiához és a kvantumanyag-tudományhoz. 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, Alán Aspuru-Guzik és Jeremy L O'brien. Variációs sajátérték-megoldó fotonikus kvantumprocesszoron. Nature Communications, 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 és mások. Molekuláris energiák skálázható kvantumszimulációja. 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 és Jay M Gambetta. Hardver-hatékony variációs kvantum-sajátmegoldó kis molekulákhoz és kvantummágnesekhez. Nature, 549 (7671): 242–246, 2017. 10.1038/természet23879.
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 és mások. Variációs kvantum algoritmusok. Nature Reviews Physics, 1–20. oldal, 2021. 10.1038/​s42254-021-00348-9.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00348-9

[15] Xavi Bonet-Monroig, Ramiro Sagastizabal, M Singh és TE O'Brien. Alacsony költségű hibacsökkentés szimmetria-ellenőrzéssel. 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 és Nicholas J Mayhall. Adaptív variációs algoritmus pontos molekuláris szimulációkhoz kvantumszámítógépen. Nature Communications, 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 és Sophia E Economou. qubit-adapt-vqe: Adaptív algoritmus hardver-hatékony ansätze létrehozására kvantumprocesszoron. PRX Quantum, 2 (2): 020310, 2021. 10.1103/​PRXQuantum.2.020310.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.020310

[18] Mateusz Ostaszewski, Edward Grant és Marcello Benedetti. Struktúra optimalizálás paraméterezett kvantumáramkörökhöz. 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 és GuiLu Long. Teljes kvantum-sajátmegoldó kvantumkémiai szimulációkhoz. Kutatás, 2020, 2020. 10.34133/​2020/​1486935.
https://​/​doi.org/​10.34133/​2020/​1486935

[20] Patrick Rebentrost, Maria Schuld, Leonard Wossnig, Francesco Petruccione és Seth Lloyd. Kvantum gradiens süllyedés és Newton módszer a kényszerített polinom optimalizáláshoz. 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 és Stephen Brierley. Gerjesztett állapotok variációs kvantumszámítása. 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 és Simon C Benjamin. Variációs kvantum algoritmusok Hamilton-spektrumok felfedezésére. 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 és Keisuke Fujii. Altér-kereső variációs kvantum-sajátmegoldó gerjesztett állapotokhoz. 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 és Todd J Martínez. Elektronikus átmenetek kvantumszámítása variációs kvantum-sajátmegoldó segítségével. Fizikai felülvizsgálati levelek, 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 és Wibe A De Jong. Hibrid kvantum-klasszikus hierarchia a dekoherencia mérséklésére és a gerjesztett állapotok meghatározására. 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 és Irfan Siddiqi. Molekulaspektrumok számítása kvantumprocesszoron hibatűrő algoritmussal. 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 és Mark Kostuk. Módszer gerjesztett állapotok meghatározására kvantumszámításhoz. 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 és Ivano Tavernelli. Kvantummozgásegyenlet molekuláris gerjesztési energiák kiszámításához zajos kvantumprocesszoron. 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 és Tao Yin. Variációs kvantum-sajátmegoldók varianciaminimalizálással. 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 és Lucas Visscher. Analitikus nemdiabatikus csatolások és gradiensek az állapotátlagolt orbitális optimalizált variációs kvantum-sajátmegoldón belül. 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 és Gui-Lu Long. Variációs kvantumcsomagolt defláció tetszőleges gerjesztett állapotokhoz. Quantum Engineering, e80. oldal, 2021. 10.1002/​que2.80.
https://​/​doi.org/​10.1002/​que2.80

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

[34] Hosszú Gui-Lu. Általános kvantuminterferencia elv és dualitás számítógép. 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 és Liu Yang. Dualitás számítástechnika kvantumszámítógépekben. 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 és Wang Chuan. Megengedett általánosított kvantumkapuk. 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 és Nathan Wiebe. Hamilton szimuláció unitárius műveletek lineáris kombinációival. 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 és Guilu Long. Általános $mathcal{PT}$-szimmetrikus rendszer digitális kvantumszimulációjának kísérleti demonstrációja. 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 és Guilu Long. Információáramlás megfigyelése az anti$mathcal{PT}$-szimmetrikus rendszerben magpörgetésekkel. 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 és Yang Sun. Hatékony séma kvantumregiszter inicializálására tetszőleges szuperponált állapottal. 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 és Lorenzo Maccone. Kvantum véletlen hozzáférésű memória. Fizikai felülvizsgálati levelek, 100 (16): 160501, 2008. 10.1103/​PhysRevLett.100.160501.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.100.160501

[42] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca és Alain Tapp. Kvantumamplitúdó-erősítés és becslés. Kortárs Matematika, 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 és Rolando D Somma. Hamiltoni dinamika szimulálása csonka taylor sorozattal. Fizikai felülvizsgálati levelek, 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 és Gui-Lu Long. Kvantumcsatornák kvantumszimulációja mágneses magrezonanciában. 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 és Gui-Lu Long. Hatékony univerzális kvantumcsatorna szimuláció az ibm felhőkvantumszámítógépében. 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 és Morgan W Mitchell. Interakción alapuló kvantummetrológia, amely a heisenbergi határon túli skálázást mutatja. Nature, 471 (7339): 486–489, 2011. 10.1038/természet09778.
https://​/​doi.org/​10.1038/​nature09778

[47] A Quafu felhőplatformról részletes információk találhatók a webhelyen, a githubban és a dokumentumban.
http://​/​quafu.baqis.ac.cn/​

[48] Jiangfeng Du, Nanyang Xu, Xinhua Peng, Pengfei Wang, Sanfeng Wu és Dawei Lu. Molekuláris hidrogén kvantum szimuláció NMR megvalósítása adiabatikus állapotkészítéssel. Fizikai felülvizsgálati levelek, 104 (3): 030502, 2010. 10.1103/​PhysRevLett.104.030502.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.104.030502

[49] Maysum Panju. Iteratív módszerek sajátértékek és sajátvektorok számítására. arXiv preprint arXiv:1105.1185, 2011. 10.48550/arXiv.1105.1185.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1105.1185
arXiv: 1105.1185

Idézi

[1] Jingwei Wen, Chao Zheng, Zhiguo Huang, and Ling Qian, “Iteration-free digital quantum simulation of imaginary-time evolution based on the approximate unitary expansion”, EPL (Europhysics Letters) 141 6, 68001 (2023).

[2] Bozhi Wang, Jingwei Wen, Jiawei Wu, Haonan Xie, Fan Yang, Shijie Wei, and Gui-lu Long, “A powered full quantum eigensolver for energy band structures”, arXiv: 2308.03134, (2023).

[3] Jin-Min Liang, Qiao-Qiao Lv, Shu-Qian Shen, Ming Li, Zhi-Xi Wang, and Shao-Ming Fei, “Improved iterative quantum algorithm for ground-state preparation”, arXiv: 2210.08454, (2022).

[4] Xin Yi, Jia-Cheng Huo, Yong-Pan Gao, Ling Fan, Ru Zhang, and Cong Cao, “Iterative quantum algorithm for combinatorial optimization based on quantum gradient descent”, Eredmények in Physics 56, 107204 (2024).

A fenti idézetek innen származnak SAO/NASA HIRDETÉSEK (utolsó sikeres frissítés: 2024-01-05 02:15:29). Előfordulhat, hogy a lista hiányos, mivel nem minden kiadó ad megfelelő és teljes hivatkozási adatokat.

On Crossref által idézett szolgáltatás művekre hivatkozó adat nem található (utolsó próbálkozás 2024-01-05 02:15:28).

Időbélyeg:

Még több Quantum Journal