1Laboratorium Kunci Negara Fisika Kuantum Dimensi Rendah dan Departemen Fisika, Universitas Tsinghua, Beijing 100084, Tiongkok
2Perusahaan Teknologi Perangkat Lunak China Mobile (Suzhou) Limited, Suzhou 215163, Tiongkok
3Akademi Ilmu Informasi Kuantum Beijing, Beijing 100193, Tiongkok
4Institut Fisika, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, Beijing 100190, Tiongkok
5Sekolah Ilmu Fisika, Universitas Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, Beijing 100190, Tiongkok
6Pusat Sains Frontier untuk Informasi Kuantum, Beijing 100084, Tiongkok
7Pusat Penelitian Sains dan Teknologi Informasi Nasional Beijing, Beijing 100084, Tiongkok
Apakah makalah ini menarik atau ingin dibahas? Scite atau tinggalkan komentar di SciRate.
Abstrak
Memanfaatkan komputer kuantum untuk menyelidiki kimia kuantum merupakan bidang penelitian penting saat ini. Selain permasalahan keadaan dasar yang telah dipelajari secara luas, penentuan keadaan tereksitasi memainkan peranan penting dalam prediksi dan pemodelan reaksi kimia dan proses fisika lainnya. Di sini, kami mengusulkan algoritma kuantum berbasis sirkuit penuh non-variasi untuk memperoleh spektrum keadaan tereksitasi dari kimia kuantum Hamiltonian. Dibandingkan dengan algoritma variasional hibrida klasik-kuantum sebelumnya, metode kami menghilangkan proses optimasi klasik, mengurangi biaya sumber daya yang disebabkan oleh interaksi antara sistem yang berbeda, dan mencapai tingkat konvergensi yang lebih cepat dan ketahanan yang lebih kuat terhadap kebisingan tanpa dataran tinggi. Pemutakhiran parameter untuk menentukan tingkat energi berikutnya secara alami bergantung pada keluaran pengukuran energi dari tingkat energi sebelumnya dan dapat diwujudkan hanya dengan memodifikasi proses persiapan keadaan sistem tambahan, sehingga menimbulkan sedikit tambahan sumber daya tambahan. Simulasi numerik algoritma dengan molekul hidrogen, LiH, H2O dan NH3 disajikan. Selain itu, kami menawarkan demonstrasi eksperimental algoritme pada platform komputasi kuantum superkonduktor, dan hasilnya menunjukkan kesesuaian yang baik dengan ekspektasi teoretis. Algoritme ini dapat diterapkan secara luas pada berbagai masalah penentuan spektrum Hamilton pada komputer kuantum yang toleran terhadap kesalahan.
Gambar unggulan: Rangkaian kuantum untuk realisasi algoritma FQESS.
Ringkasan populer
โบ data BibTeX
โบ Referensi
[1] Paul Benioff. Komputer sebagai sistem fisik: Model komputer hamiltonian mekanika kuantum mikroskopis yang diwakili oleh mesin turing. Jurnal fisika statistik, 22 (5): 563โ591, 1980. 10.1007/โBF01011339.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01011339
[2] Richard P Feynman. Simulasi fisika dengan komputer. Int J Teori Fisika, 21 (1): 467โ488, 1982. 10.1007/โBF02650179.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF02650179
[3] Peter W Shor. Algoritme waktu polinomial untuk faktorisasi prima dan logaritma diskrit pada komputer kuantum. Ulasan SIAM, 41 (2): 303โ332, 1999. 10.1137/โS0036144598347011.
https: / / doi.org/ 10.1137 / S0036144598347011
[4] Lov K Grover. Mekanika kuantum membantu dalam mencari jarum di tumpukan jerami. Surat tinjauan fisik, 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, dan Li Niu. Pencocokan fase dalam pencarian kuantum. Fisika Huruf A, 262 (1): 27โ34, 1999. 10.1016/โS0375-9601(99)00631-3.
https:/โ/โdoi.org/โ10.1016/โS0375-9601(99)00631-3
[6] Aram W Harrow, Avinatan Hassidim, and Seth Lloyd. Algoritma kuantum untuk sistem persamaan linier. Surat tinjauan fisik, 103 (15): 150502, 2009. 10.1103/โPhysRevLett.103.150502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.150502
[7] Yiฤit Subaลฤฑ, Rolando D Somma, dan Davide Orsucci. Algoritma kuantum untuk sistem persamaan linier yang terinspirasi oleh komputasi kuantum adiabatik. Surat tinjauan fisik, 122 (6): 060504, 2019. 10.1103/โPhysRevLett.122.060504.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.060504
[8] Yudong Cao, Jonathan Romero, Jonathan P Olson, Matthias Degroote, Peter D Johnson, Mรกria Kieferovรก, Ian D Kivlichan, Tim Menke, Borja Peropadre, Nicolas PD Sawaya, dkk. Kimia kuantum di era komputasi kuantum. Ulasan bahan kimia, 119 (19): 10856โ10915, 2019. 10.1021/โacs.chemrev.8b00803.
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.chemrev.8b00803
[9] Sam McArdle, Suguru Endo, Alรกn Aspuru-Guzik, Simon C Benjamin, dan Xiao Yuan. Kimia komputasi kuantum. Review Fisika Modern, 92 (1): 015003, 2020. 10.1103/โRevModPhys.92.015003.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.015003
[10] Bela Bauer, Sergey Bravyi, Mario Motta, dan Garnet Kin-Lic Chan. Algoritma kuantum untuk kimia kuantum dan ilmu material kuantum. Ulasan Bahan Kimia, 120 (22): 12685โ12717, 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, Alรกn Aspuru-Guzik, and Jeremy L O'brien. Pemecah nilai eigen variasional pada prosesor kuantum fotonik. Komunikasi alam, 5 (1): 1โ7, 2014. 10.1038/โncomms5213.
https://โ/โdoi.org/โ10.1038/โncomms5213
[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, dkk. Simulasi kuantum skalabel energi molekul. Review Fisik X, 6 (3): 031007, 2016. 10.1103/โPhysRevX.6.031007.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.031007
[13] Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takita, Markus Brink, Jerry M Chow, and Jay M Gambetta. Pemecah eigen kuantum variasional yang efisien perangkat keras untuk molekul kecil dan magnet kuantum. Alam, 549 (7671): 242โ246, 2017. 10.1038/โnature23879.
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, dkk. Algoritma kuantum variasi. Ulasan Alam Fisika, halaman 1โ20, 2021. 10.1038/โs42254-021-00348-9.
https:/โ/โdoi.org/โ10.1038/โs42254-021-00348-9
[15] Xavi Bonet-Monroig, Ramiro Sagastizabal, M Singh, dan TE O'Brien. Mitigasi kesalahan berbiaya rendah dengan verifikasi simetri. Tinjauan Fisik A, 98 (6): 062339, 2018. 10.1103/โPhysRevA.98.062339.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062339
[16] Harper R Grimsley, Sophia E Economou, Edwin Barnes, dan Nicholas J Mayhall. Algoritme variasi adaptif untuk simulasi molekuler yang tepat pada komputer kuantum. Komunikasi alam, 10 (1): 1โ9, 2019. 10.1038/โs41467-019-10988-2.
https:/โ/โdoi.org/โ10.1038/โs41467-019-10988-2
[17] Ho Lun Tang, VO Shkolnikov, George S Barron, Harper R Grimsley, Nicholas J Mayhall, Edwin Barnes, dan Sophia E Economou. qubit-adapt-vqe: Algoritme adaptif untuk membangun respons yang efisien perangkat keras pada prosesor kuantum. PRX Quantum, 2 (2): 020310, 2021. 10.1103/โPRXQuantum.2.020310.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020310
[18] Mateusz Ostaszewski, Edward Grant, dan Marcello Benedetti. Pengoptimalan struktur untuk sirkuit kuantum berparameter. Quantum, 5: 391, 2021. 10.22331/โq-2021-01-28-391.
https:/โ/โdoi.org/โ10.22331/โq-2021-01-28-391
[19] Shijie Wei, Hang Li, dan GuiLu Long. Pemecah eigen kuantum lengkap untuk simulasi kimia kuantum. Penelitian, 2020, 2020. 10.34133/โ2020/โ1486935.
https://โ/โdoi.org/โ10.34133/โ2020/โ1486935
[20] Patrick Rebentrost, Maria Schuld, Leonard Wossnig, Francesco Petruccione, dan Seth Lloyd. Penurunan gradien kuantum dan metode Newton untuk optimasi polinomial terbatas. Jurnal Fisika Baru, 21 (7): 073023, 2019. 10.1088/โ1367-2630/โab2a9e.
https:/โ/โdoi.org/โ10.1088/โ1367-2630/โab2a9e
[21] Oscar Higgott, Daochen Wang, dan Stephen Brierley. Perhitungan kuantum variasi keadaan tereksitasi. Quantum, 3: 156, 2019. 10.22331/โq-2019-07-01-156.
https:/โ/โdoi.org/โ10.22331/โq-2019-07-01-156
[22] Tyson Jones, Suguru Endo, Sam McArdle, Xiao Yuan, dan Simon C Benjamin. Algoritma kuantum variasi untuk menemukan spektrum hamiltonian. Review Fisik A, 99 (6): 062304, 2019. 10.1103 / PhysRevA.99.062304.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062304
[23] Ken M Nakanishi, Kosuke Mitarai, dan Keisuke Fujii. Pemecah eigen kuantum variasi pencarian subruang untuk keadaan tereksitasi. Penelitian Tinjauan Fisik, 1 (3): 033062, 2019. 10.1103/โPhysRevResearch.1.033062.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.1.033062
[24] Robert M Parrish, Edward G Hohenstein, Peter L McMahon, dan Todd J Martรญnez. Perhitungan kuantum transisi elektronik menggunakan pemecah eigen kuantum variasional. Surat tinjauan fisik, 122 (23): 230401, 2019. 10.1103/โPhysRevLett.122.230401.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.230401
[25] Jarrod R McClean, Mollie E Kimchi-Schwartz, Jonathan Carter, dan Wibe A De Jong. Hirarki kuantum-klasik hibrida untuk mitigasi dekoherensi dan penentuan keadaan tereksitasi. Tinjauan Fisik A, 95 (4): 042308, 2017. 10.1103/โPhysRevA.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, dan Irfan Siddiqi. Perhitungan spektrum molekul pada prosesor kuantum dengan algoritma tahan kesalahan. Tinjauan Fisik X, 8 (1): 011021, 2018. 10.1103/โPhysRevX.8.011021.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.8.011021
[27] Pejman Jouzdani, Stefan Bringuier, dan Mark Kostuk. Sebuah metode untuk menentukan keadaan tereksitasi untuk komputasi kuantum. arXiv pracetak arXiv:1908.05238, 2019. 10.48550/โarXiv.1908.05238.
https://โ/โdoi.org/โ10.48550/โarXiv.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, dan Ivano Tavernelli. Persamaan gerak kuantum untuk menghitung energi eksitasi molekul pada prosesor kuantum yang berisik. Penelitian Tinjauan Fisik, 2 (4): 043140, 2020. 10.1103/โPhysRevResearch.2.043140.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.043140
[29] Dan-Bo Zhang, Bin-Lin Chen, Zhan-Hao Yuan, dan Tao Yin. Pemecah eigen kuantum variasional dengan minimalisasi varians. Fisika Cina B, 31 (12): 120301, 2022. 10.1088/โ1674-1056/โac8a8d.
https:/โ/โdoi.org/โ10.1088/โ1674-1056/โac8a8d
[30] Saad Yalouz, Emiel Koridon, Bruno Senjean, Benjamin Lasorne, Francesco Buda, dan Lucas Visscher. Kopling dan gradien nonadiabatik analitik dalam pemecah eigen kuantum variasional orbital rata-rata yang dioptimalkan. Jurnal teori dan komputasi kimia, 18 (2): 776โ794, 2022. 10.1021/โacs.jctc.1c00995.
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.1c00995
[31] Jingwei Wen, Dingshun Lv, Man-Hong Yung, dan Gui-Lu Long. Deflasi paket kuantum variasional untuk keadaan tereksitasi sewenang-wenang. Rekayasa Kuantum, halaman e80, 2021. 10.1002/โque2.80.
https://โ/โdoi.org/โ10.1002/โque2.80
[32] Pascual Jordan dan Eugene Paul Wigner. รผber das paulische รคquivalenzverbot. Dalam Kumpulan Karya Eugene Paul Wigner, halaman 109โ129. Springer, 1993. 10.1007/โ978-3-662-02781-3_9.
https:/โ/โdoi.org/โ10.1007/โ978-3-662-02781-3_9
[33] Sergey B Bravyi dan Alexei Yu Kitaev. Perhitungan kuantum fermionik. Annals of Physics, 298 (1): 210โ226, 2002. 10.1006/โaphy.2002.6254.
https: / / doi.org/ 10.1006 / aphy.2002.6254
[34] Panjang Gui-Lu. Prinsip interferensi kuantum umum dan komputer dualitas. Komunikasi dalam Fisika Teoritis, 45 (5): 825, 2006. 10.1088/โ0253-6102/โ45/โ5/โ013.
https:/โ/โdoi.org/โ10.1088/โ0253-6102/โ45/โ5/โ013
[35] Long Gui-Lu dan Liu Yang. Komputasi dualitas di komputer kuantum. Komunikasi dalam Fisika Teoritis, 50 (6): 1303, 2008. 10.1088/โ0253-6102/โ50/โ6/โ11.
https:/โ/โdoi.org/โ10.1088/โ0253-6102/โ50/โ6/โ11
[36] Long Gui-Lu, Liu Yang, dan Wang Chuan. Gerbang kuantum umum yang diijinkan. Komunikasi dalam Fisika Teoritis, 51 (1): 65, 2009. 10.1088/โ0253-6102/โ51/โ1/โ13.
https:/โ/โdoi.org/โ10.1088/โ0253-6102/โ51/โ1/โ13
[37] Andrew M Childs dan Nathan Wiebe. Simulasi Hamiltonian menggunakan kombinasi linier operasi kesatuan. arXiv pracetak arXiv:1202.5822, 2012. 10.48550/โarXiv.1202.5822.
https://โ/โdoi.org/โ10.48550/โarXiv.1202.5822
arXiv: 1202.5822
[38] Jingwei Wen, Chao Zheng, Xiangyu Kong, Shijie Wei, Tao Xin, dan Guilu Long. Demonstrasi eksperimental simulasi kuantum digital dari sistem simetris $mathcal{PT}$ umum. Tinjauan Fisik A, 99 (6): 062122, 2019. 10.1103/โPhysRevA.99.062122.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062122
[39] Jingwei Wen, Guoqing Qin, Chao Zheng, Shijie Wei, Xiangyu Kong, Tao Xin, dan Guilu Long. Pengamatan aliran informasi dalam sistem anti-$mathcal{PT}$-simetris dengan putaran nuklir. npj Informasi Kuantum, 6 (1): 1โ7, 2020. 10.1038/โs41534-020-0258-4.
https:/โ/โdoi.org/โ10.1038/โs41534-020-0258-4
[40] Gui-Lu Long dan Yang Sun. Skema yang efisien untuk menginisialisasi register kuantum dengan keadaan superposisi yang berubah-ubah. Tinjauan Fisik A, 64 (1): 014303, 2001. 10.1103/โPhysRevA.64.014303.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.014303
[41] Vittorio Giovannetti, Seth Lloyd, dan Lorenzo Maccone. Memori akses acak kuantum. Surat tinjauan fisik, 100 (16): 160501, 2008. 10.1103/โPhysRevLett.100.160501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.100.160501
[42] Gilles Brassard, Peter Hoyer, Michele Mosca, dan Alain Tapp. Amplifikasi dan estimasi amplitudo kuantum. Matematika Kontemporer, 305: 53โ74, 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, dan Rolando D Somma. Mensimulasikan dinamika hamiltonian dengan deret taylor terpotong. Surat tinjauan fisik, 114 (9): 090502, 2015. 10.1103/โPhysRevLett.114.090502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.090502
[44] Tao Xin, Shi-Jie Wei, Julen S Pedernales, Enrique Solano, dan Gui-Lu Long. Simulasi kuantum saluran kuantum dalam resonansi magnetik nuklir. Tinjauan Fisik A, 96 (6): 062303, 2017. 10.1103/โPhysRevA.96.062303.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.96.062303
[45] Shi-Jie Wei, Tao Xin, dan Gui-Lu Long. Simulasi saluran kuantum universal yang efisien di komputer kuantum cloud ibm. Sains Tiongkok Fisika, Mekanika & Astronomi, 61 (7): 1โ10, 2018. 10.1007/โs11433-017-9181-9.
https:/โ/โdoi.org/โ10.1007/โs11433-017-9181-9
[46] Mario Napolitano, Marco Koschorreck, Brice Dubost, Naeimeh Behbood, RJ Sewell, dan Morgan W Mitchell. Metrologi kuantum berbasis interaksi menunjukkan penskalaan melampaui batas heisenberg. Alam, 471 (7339): 486โ489, 2011. 10.1038/โnature09778.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09778
[47] Informasi detail tentang platform cloud Quafu dapat ditemukan di situs web, github, dan dokumen.
http://โ/โquafu.baqis.ac.cn/โ
[48] Jiangfeng Du, Nanyang Xu, Xinhua Peng, Pengfei Wang, Sanfeng Wu, dan Dawei Lu. Implementasi Nmr dari simulasi kuantum hidrogen molekuler dengan persiapan keadaan adiabatik. Surat tinjauan fisik, 104 (3): 030502, 2010. 10.1103/โPhysRevLett.104.030502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.030502
[49] Maysum Panju. Metode berulang untuk menghitung nilai eigen dan vektor eigen. arXiv pracetak arXiv:1105.1185, 2011. 10.48550/โarXiv.1105.1185.
https://โ/โdoi.org/โ10.48550/โarXiv.1105.1185
arXiv: 1105.1185
Dikutip oleh
[1] Jingwei Wen, Chao Zheng, Zhiguo Huang, dan Ling Qian, โSimulasi kuantum digital bebas iterasi dari evolusi waktu imajiner berdasarkan perkiraan ekspansi kesatuanโ, EPL (Surat-surat Eurofisika) 141 6, 68001 (2023).
[2] Bozhi Wang, Jingwei Wen, Jiawei Wu, Haonan Xie, Fan Yang, Shijie Wei, dan Gui-lu Long, โPemecah eigen kuantum penuh bertenaga untuk struktur pita energiโ, arXiv: 2308.03134, (2023).
[3] Jin-Min Liang, Qiao-Qiao Lv, Shu-Qian Shen, Ming Li, Zhi-Xi Wang, dan Shao-Ming Fei, โPeningkatan algoritma kuantum berulang untuk persiapan kondisi dasarโ, arXiv: 2210.08454, (2022).
[4] Xin Yi, Jia-Cheng Huo, Yong-Pan Gao, Ling Fan, Ru Zhang, dan Cong Cao, โAlgoritma kuantum berulang untuk optimasi kombinatorial berdasarkan penurunan gradien kuantumโ, Hasil Fisika 56, 107204 (2024).
Kutipan di atas berasal dari SAO / NASA ADS (terakhir berhasil diperbarui, 2024-01-04 14:13:50). Daftar ini mungkin tidak lengkap karena tidak semua penerbit menyediakan data kutipan yang cocok dan lengkap.
Tidak dapat mengambil Crossref dikutip oleh data selama upaya terakhir 2024-01-04 14:13:48: Tidak dapat mengambil data yang dikutip oleh untuk 10.22331 / q-2024-01-04-1219 dari Crossref. Ini normal jika DOI terdaftar baru-baru ini.
Makalah ini diterbitkan dalam Quantum di bawah Creative Commons Attribution 4.0 Internasional (CC BY 4.0) lisensi. Hak cipta tetap berada pada pemegang hak cipta asli seperti penulis atau lembaganya.
- Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
- PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
- PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
- PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
- PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
- Sumber: https://quantum-journal.org/papers/q-2024-01-04-1219/
