Variational quantum algorithm for low-dimensional systems in the Pauli basis

封面

如何引用文章

全文:

详细

In the last decade, variational quantum algorithms implemented on modern quantum computers have successfully solved practical problems of optimization, quantum chemistry, and machine learning. We propose new variational quantum algorithm based on a Monte Carlo scheme that uses a random selection of the generators for a unitary transformation, and also uses optimization of the objective functional employing the annealing or Metropolis-Hastings algorithm. The states of the quantum system in the form of a density operator and its model Hamiltonian are represented by expansions in the Pauli basis. In the algorithm, the state of the system is changed by means of a random choice of the Pauli generator that determines the unitary transformation of the state. The efficiency of the annealing algorithm directly depends on the equiprobable choice of the transition from one state to the second, so the work uses a compromise version of the uniform distribution of operators on the SU (2 n ) group - the direct product of the SU (2) group, where n is the number of qubits in the system. The random choice of a single-qubit operator (consistent with the Haar measure on SU (2)) is implemented in Hopf coordinates on the group manifold (the three-sphere). The results of testing the algorithm show that it can be effective for low-dimensional systems.

作者简介

Dmitriy Golov

Tver State University

1st year PhD student of the General Mathematics and Mathematical Physics Department

Nikita Petrov

Tver State University

1st year PhD student of the General Mathematics and Mathematical Physics Department

Alexander Tsirulev

Tver State University

Email: tsirulev.an@tversu.ru
Dr. Sc., Professor of the Department of General Mathematics and Mathematical Physics

参考

  1. Peruzzo, A. A variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor / A. Peruzzo, J. McClean, P. Shadbolt et al. // Nature Communications. - 2014. - V. 5. - Art. № 4213. - 7 p. doi: 10.1038/ncomms5213.
  2. Китаев, А. Классические и квантовые вычисления / А. Китаев, А. Шень, Ю. Вялый. - М.: МЦМНО, 1999. - 192 с.
  3. Нильсен, М. Квантовые вычисления и квантовая информация / М. Нильсен, И. Чанг Пер.; пер. с англ. М.Н. Вялого, П.М. Островского. - Μ.: Мир, 2006. - 824 с.
  4. Ryabinkin, I.G. Method: a systematic approach to quantum chemistry on a quantum computer / I.G. Ryabinkin, T.-C. Yen, S.N. Genin, A.F. Izmaylov // Journal of Chemical Theory and Computation. - 2018. - V. 14. - I. 12. - P. 6317-6326. doi: 10.1021/acs.jctc.8b00932.
  5. McClean, J.R. The theory of variational hybrid quantum-classical algorithms /j.R. McClean, J. Romero, R. Babbush, A. Aspuru-Guzik // New Journal of Physics. - 2016. - V. 18. - Art. № 023023. - 22 p. doi: 10.1088/1367-2630/18/2/023023.
  6. Chitambar, E. Quantum resource theories / E. Chitambar, G. Gour // Reviews of Modern Physics. - 2019. - V. 91. - I. 2. - P. 025001-1-025001-48. doi: 10.1103/RevModPhys.91.025001.
  7. Tsirulev, A.N. A geometric view on quantum tensor networks / A.N. Tsirulev // European Physical Journal Web of Conferences. - 2020. - V. 226. - Art. № 02022. - 4 p. doi: 10.1051/epjconf/202022602022.
  8. Nikonov, V.V. Pauli basis formalism in quantum computations / V.V. Nikonov, A.N. Tsirulev // Mathematical modelling and geometry. - 2020. - V. 8. - № 3. - P. 1-14. doi: 10.26456/mmg/2020-831.
  9. Taube, A.G. New perspectives on unitary coupled-cluster theory / A.G. Taube, R.J. Bartlett // International Journal of Quantum Chemistry. - 2006. - V. 106. - I. 15. - P. 3393-3401. doi: 10.1002/qua.21198.
  10. Андре, Э. Моделирование запутанных состояний в кластерах кубитов / Э. Андре, А.Н. Цирулев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2022. - Вып. 14. - С. 342-351. doi: 10.26456/pcascnn/2022.14.342.
  11. Андре, Э. Модель трехкубитного кластера в термостате / Э. Андре, А.Н. Цирулев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 223-230. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.223.
  12. Ingber, L. Simulated annealing: practice versus theory / L. Ingber // Mathematical and Computer Modelling. - 1993. - V. 18. - I. 11. - P. 29-57. doi: 10.1016/0895-7177(93)90204-C.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».