양자 화학의 여기 상태에 대한 전체 회로 기반 양자 알고리즘

플라톤에 의해 재발행

팔로워 : 0

징웨이 원^1,2, 왕 정안³, 첸 치통^4,5, 샤오 준샹¹, 리 항³, 링 키안², 황 지궈², 헝 판^3,4, 웨이 시지에³및 구이루 롱^1,3,6,7

¹중국 베이징 100084 칭화대학교 저차원 양자 물리학 국가 핵심 연구소 및 물리학과
²China Mobile (Suzhou) Software Technology Company Limited, Suzhou 215163, 중국
³베이징 양자 정보 과학 아카데미, 베이징 100193, 중국
⁴중국과학원 물리학연구소, 베이징 100190, 중국
⁵중국 베이징 100190 중국과학원 물리과학부
⁶양자 정보 프론티어 과학 센터, 베이징 100084, 중국
⁷베이징 정보 과학 기술 연구 센터, 베이징 100084, 중국

이 논문이 흥미 롭거나 토론하고 싶습니까? SciRate에 댓글을 달거나 댓글 남기기.

추상

양자컴퓨터를 활용하여 양자화학을 연구하는 것은 오늘날 중요한 연구 분야입니다. 널리 연구된 바닥 상태 문제 외에도 들뜬 상태의 결정은 화학 반응 및 기타 물리적 과정의 예측 및 모델링에 중요한 역할을 합니다. 여기서는 양자 화학 해밀턴의 여기 상태 스펙트럼을 얻기 위한 비변동 전체 회로 기반 양자 알고리즘을 제안합니다. 이전의 고전-양자 하이브리드 변형 알고리즘과 비교하여, 우리의 방법은 고전적인 최적화 프로세스를 제거하고, 서로 다른 시스템 간의 상호 작용으로 인한 리소스 비용을 줄이며, 황량한 고원 없이 더 빠른 수렴 속도와 잡음에 대한 더 강력한 견고성을 달성합니다. 다음 에너지 레벨을 결정하기 위한 매개변수 업데이트는 자연스럽게 이전 에너지 레벨의 에너지 측정 출력에 의존하며 보조 시스템의 상태 준비 프로세스를 수정하는 것만으로 실현할 수 있으며 추가 리소스 오버헤드가 거의 발생하지 않습니다. 수소, LiH, H2O 및 NH3 분자를 사용한 알고리즘의 수치 시뮬레이션이 제시됩니다. 또한 초전도 양자 컴퓨팅 플랫폼에서 알고리즘의 실험적 시연을 제공하며 결과는 이론적 기대와 잘 일치합니다. 이 알고리즘은 내결함성 양자 컴퓨터의 다양한 해밀턴 스펙트럼 결정 문제에 널리 적용될 수 있습니다.

주요 이미지: FQESS 알고리즘 구현을 위한 양자 회로.

► BibTeX 데이터

@article{Wen2024fullcircuitbased, doi = {10.22331/q-2024-01-04-1219}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2024-01-04-1219}, title = {A 전체 양자 화학의 여기 상태에 대한 회로 기반 양자 알고리즘}, 저자 = {Wen, Jingwei 및 Wang, Zhengan 및 Chen, Chitong 및 Xiao, Junxiang 및 Li, Hang 및 Qian, Ling 및 Huang, Zhiguo 및 Fan, Heng 및 Wei , Shijie and Long, Guilu}, 저널 = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, 출판사 = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, 권 = {8}, 페이지 = {1219}, 월 = 2024월, 연도 = {XNUMX} }

► 참고 문헌

[1] 폴 베니오프. 물리적 시스템으로서의 컴퓨터: 튜링 기계로 대표되는 컴퓨터의 미세한 양자역학적 해밀턴 모델입니다. 통계물리학 저널, 22(5): 563–591, 1980. 10.1007/BF01011339.
https : / /doi.org/ 10.1007 / BF01011339

[2] 리차드 P 파인만. 컴퓨터로 물리학을 시뮬레이션합니다. Int J Theor Phys, 21 (1): 467–488, 1982. 10.1007/BF02650179.
https : / /doi.org/ 10.1007 / BF02650179

[3] 피터 W 쇼어. 양자 컴퓨터의 소인수분해 및 이산 로그를 위한 다항식 시간 알고리즘입니다. SIAM 리뷰, 41(2): 303–332, 1999. 10.1137/S0036144598347011.
https : / /doi.org/ 10.1137 / S0036144598347011

[4] 러브 K 그로버. 양자 역학은 건초 더미에서 바늘을 찾는 데 도움이 됩니다. 실제 검토 편지, 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 및 Li Niu. 양자 검색의 위상 매칭. 물리학 편지 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, Seth Lloyd. 방정식의 선형 시스템을 위한 양자 알고리즘. 물리적 검토 편지, 103 (15): 150502, 2009. 10.1103/PhysRevLett.103.150502.
https : / /doi.org/10.1103/ PhysRevLett.103.150502

[7] Yiğit Subaşı, Rolando D Somma, Davide Orsucci. 단열 양자 컴퓨팅에서 영감을 받은 선형 방정식 시스템을 위한 양자 알고리즘입니다. 물리적 검토서, 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 등 양자 컴퓨팅 시대의 양자 화학. Chemical review, 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, Xiao Yuan. 양자 전산 화학. 현대 물리학 리뷰, 92 (1): 015003, 2020. 10.1103/RevModPhys.92.015003.
https : / /doi.org/10.1103/ RevModPhys.92.015003

[10] Bela Bauer, Sergey Bravyi, Mario Motta, Garnet Kin-Lic Chan. 양자 화학 및 양자 재료 과학을 위한 양자 알고리즘. 화학 리뷰, 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, Jeremy L O'brien. 광자 양자 프로세서의 변이 고유값 솔버. 네이처 커뮤니케이션, 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 등 분자 에너지의 확장 가능한 양자 시뮬레이션. 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, Jay M Gambetta. 저분자 및 양자 자석을 위한 하드웨어 효율적인 변형 양자 고유 솔버입니다. 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 등 변이 양자 알고리즘. Nature Reviews Physics, 페이지 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 및 TE O'Brien. 대칭 검증을 통한 저비용 오류 완화. Physical Review A, 98(6): 062339, 2018. 10.1103/ PhysRevA.98.062339.
https : / /doi.org/10.1103/ PhysRevA.98.062339

[16] 하퍼 R 그림슬리, 소피아 E 이코노무, 에드윈 반스, 니콜라스 J 메이홀. 양자 컴퓨터에서 정확한 분자 시뮬레이션을 위한 적응형 변형 알고리즘입니다. 네이처 커뮤니케이션즈, 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 및 Sophia E Economou. qubit-adapt-vqe: 양자 프로세서에서 하드웨어 효율적인 ansätze를 구성하기 위한 적응형 알고리즘입니다. PRX Quantum, 2 (2): 020310, 2021. 10.1103/PRXQuantum.2.020310.
https : / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020310

[18] Mateusz Ostaszewski, 에드워드 그랜트, 마르첼로 베네데티. 매개변수화된 양자 회로의 구조 최적화. 양자, 5: 391, 2021. 10.22331/q-2021-01-28-391.
https://doi.org/10.22331/q-2021-01-28-391

[19] 웨이 시지에(Shijie Wei), 항 리(Hang Li), 구이루 롱(GuiLu Long). 양자 화학 시뮬레이션을 위한 완전한 양자 고유해석기입니다. 연구, 2020, 2020. 10.34133/2020/1486935.
https : / /doi.org/10.34133/2020/ 1486935

[20] 패트릭 레벤트로스트, 마리아 슐드, 레너드 워즈니그, 프란체스코 페트루치오네, 세스 로이드. 제한된 다항식 최적화를 위한 양자 경사하강법 및 뉴턴 방법. New Journal of Physics, 21 (7): 073023, 2019. 10.1088/1367-2630/ab2a9e.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab2a9e

[21] 오스카 히곳(Oscar Higgott), 왕다오첸(Daochen Wang), 스티븐 브라이어리(Stephen Brierley). 들뜬 상태의 변이 양자 계산. 양자, 3: 156, 2019. 10.22331/q-2019-07-01-156.
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-01-156

[22] 타이슨 존스, 엔도 스구루, 샘 맥아들, 샤오 위안, 사이먼 C 벤자민. 해밀턴 스펙트럼을 발견하기 위한 변형 양자 알고리즘. Physical Review A, 99(6): 062304, 2019. 10.1103/ PhysRevA.99.062304.
https : / /doi.org/10.1103/ PhysRevA.99.062304

[23] 켄 M 나카니시, 미타라이 코스케, 후지이 케이스케. 들뜬 상태에 대한 부분 공간 검색 변형 양자 고유 솔버. 물리적 검토 연구, 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 및 Todd J Martínez. 변이 양자 고유 솔버를 사용한 전자 전이의 양자 계산. 물리적 검토서, 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 및 Wibe A De Jong. 결맞음 완화 및 들뜬 상태 결정을 위한 하이브리드 양자-고전 계층 구조. 물리적 검토 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 및 Irfan Siddiqi. 오류 복원력이 있는 알고리즘을 사용하여 양자 프로세서에서 분자 스펙트럼을 계산합니다. 물리적 검토 X, 8 (1): 011021, 2018. 10.1103/PhysRevX.8.011021.
https : / /doi.org/10.1103/ PhysRevX.8.011021

[27] Pejman Jouzdani, Stefan Bringuier, Mark Kostuk. 양자 계산을 위한 들뜬 상태를 결정하는 방법. arXiv 사전 인쇄 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 및 Ivano Tavernelli. 시끄러운 양자 프로세서에서 분자 여기 에너지를 계산하기 위한 양자 운동 방정식. 물리적 검토 연구, 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 및 Tao Yin. 분산 최소화를 통한 변이 양자 고유 해결사. 중국 물리학 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 및 Lucas Visscher. 상태 평균 궤도 최적화 변이 양자 고유 솔버 내의 분석적 비단열 결합 및 기울기. 화학 이론 및 계산 저널, 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, Gui-Lu Long. 임의의 여기 상태에 대한 변형 양자 패키지 수축. 양자공학, 80페이지, 2021. 10.1002/que2.80.
https://doi.org/10.1002/que2.80

[32] 파스쿠알 조던과 유진 폴 위그너. über das paulische äquivalenzverbot. Eugene Paul Wigner 전집, 109~129페이지. 스프링거, 1993. 10.1007/978-3-662-02781-3_9.
https://doi.org/10.1007/978-3-662-02781-3_9

[33] Sergey B Bravyi와 Alexei Yu Kitaev. 페르미온 양자 계산. Annals of Physics, 298(1): 210–226, 2002. 10.1006/aphy.2002.6254.
https : / /doi.org/ 10.1006 / aphy.2002.6254

[34] 롱귀루. 일반적인 양자간섭 원리와 이중성 컴퓨터. 이론 물리학 커뮤니케이션, 45 (5): 825, 2006. 10.1088/0253-6102/45/5/013.
https://doi.org/10.1088/0253-6102/45/5/013

[35] 롱귀루와 류양. 양자 컴퓨터의 이중성 컴퓨팅. 이론물리학 커뮤니케이션, 50 (6): 1303, 2008. 10.1088/0253-6102/50/6/11.
https://doi.org/10.1088/0253-6102/50/6/11

[36] 롱귀루(Long Gui-Lu), 류양(Liu Yang), 왕추안(Wang Chuan). 허용되는 일반화된 양자 게이트. 이론물리학 커뮤니케이션, 51 (1): 65, 2009. 10.1088/0253-6102/51/1/13.
https://doi.org/10.1088/0253-6102/51/1/13

[37] 앤드루 M 차일즈와 네이선 위비. 단일 연산의 선형 조합을 사용한 해밀턴 시뮬레이션. arXiv 사전 인쇄 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 및 Guilu Long. 일반적인 $mathcal{PT}$ 대칭 시스템의 디지털 양자 시뮬레이션에 대한 실험적 시연입니다. 실제 검토 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 및 Guilu Long. 핵 스핀을 이용한 반$mathcal{PT}$ 대칭 시스템의 정보 흐름 관찰. npj Quantum Information, 6 (1): 1–7, 2020. 10.1038/s41534-020-0258-4.
https://doi.org/10.1038/s41534-020-0258-4

[40] 구이루 롱(Gui-Lu Long)과 양순(Yang Sun). 임의의 중첩 상태로 양자 레지스터를 초기화하는 효율적인 방식입니다. 실제 검토 A, 64(1): 014303, 2001. 10.1103/PhysRevA.64.014303.
https : / /doi.org/10.1103/ PhysRevA.64.014303

[41] 비토리오 지오바네티, 세스 로이드, 로렌조 맥콘. 양자 랜덤 액세스 메모리. 물리적 검토 편지, 100 (16): 160501, 2008. 10.1103/ PhysRevLett.100.160501.
https : / /doi.org/10.1103/ PhysRevLett.100.160501

[42] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca 및 Alain Tapp. 양자 진폭 증폭 및 추정. 현대 수학, 305 : 53–74, 2002. 10.1090 / conm / 305 / 05215.
https : / /doi.org/10.1090/conm/305/05215

[43] 도미닉 W 베리, 앤드류 M 차일즈, 리차드 클리브, 로빈 코타리, 롤랜도 D 솜마. 잘린 테일러 급수를 사용하여 해밀턴 동역학을 시뮬레이션합니다. 물리적 검토서, 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 및 Gui-Lu Long. 핵 자기 공명에서 양자 채널의 양자 시뮬레이션. 물리적 검토 A, 96(6): 062303, 2017. 10.1103/PhysRevA.96.062303.
https : / /doi.org/10.1103/ PhysRevA.96.062303

[45] 시지에 웨이(Shi-Jie Wei), 타오 신(Tao Xin), 구이루 롱(Gui-Lu Long). IBM의 클라우드 양자 컴퓨터에서 효율적인 범용 양자 채널 시뮬레이션. Science China 물리학, 기계 및 천문학, 61 (7): 1–10, 2018. 10.1007/s11433-017-9181-9.
https://doi.org/10.1007/s11433-017-9181-9

[46] 마리오 나폴리타노, 마르코 코스렉, 브라이스 두보스트, 내이메 베부드, RJ 세웰, 모건 W 미첼. 하이젠베르그 한계를 넘어서는 확장성을 보여주는 상호작용 기반 양자 계측. Nature, 471 (7339): 486–489, 2011. 10.1038/nature09778.
https : / /doi.org/ 10.1038 / nature09778

[47] Quafu 클라우드 플랫폼에 대한 자세한 내용은 홈페이지, github, 문서에서 확인할 수 있습니다.
http:///quafu.baqis.ac.cn/

[48] Jiangfeng Du, Nanyang Xu, Xinhua Peng, Pengfei Wang, Sanfeng Wu 및 Dawei Lu. 단열 상태 준비를 통한 분자 수소 양자 시뮬레이션의 Nmr 구현. 물리적 검토서, 104(3): 030502, 2010. 10.1103/PhysRevLett.104.030502.
https : / /doi.org/10.1103/ PhysRevLett.104.030502

[49] 메이섬 판주. 고유값과 고유벡터를 계산하는 반복 방법. arXiv 사전 인쇄 arXiv:1105.1185, 2011. 10.48550/arXiv.1105.1185.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1105.1185
arXiv : 1105.1185

인용

[1] Jingwei Wen, Chao Zheng, Zhiguo Huang 및 Ling Qian, “대략 단위 확장을 기반으로 한 가상 시간 진화의 반복 없는 디지털 양자 시뮬레이션”, EPL (유로물리학 서한) 141 6, 68001 (2023).

[2] Bozhi Wang, Jingwei Wen, Jiawei Wu, Haonan Xie, Fan Yang, Shijie Wei 및 Gui-lu Long, “에너지 밴드 구조를 위한 강화된 완전 양자 고유해석 장치”, arXiv : 2308.03134, (2023).

[3] Jin-Min Liang, Qiao-Qiao Lv, Shu-Qian Shen, Ming Li, Zhi-Xi Wang, Shao-Ming Fei, “바닥 상태 준비를 위한 향상된 반복 양자 알고리즘”, arXiv : 2210.08454, (2022).

[4] Xin Yi, Jia-Cheng Huo, Yong-Pan Gao, Ling Fan, Ru Zhang, Cong Cao, "양자 경사 하강법을 기반으로 한 조합 최적화를 위한 반복 양자 알고리즘", 물리학 56, 107204(2024)의 결과.

위의 인용은 SAO / NASA ADS (마지막으로 성공적으로 업데이트 됨 2024-01-05 02:15:29). 모든 출판사가 적절하고 완전한 인용 데이터를 제공하지는 않기 때문에 목록이 불완전 할 수 있습니다.

On Crossref의 인용 서비스 인용 작품에 대한 데이터가 없습니다 (최종 시도 2024-01-05 02:15:28).

이 백서는 Quantum에서 Creative Commons Attribution 4.0 International(CC BY 4.0) 특허. 저작권은 저자 또는 기관과 같은 원래 저작권 보유자에게 있습니다.