Noise tailoring for Robust Amplitude Estimation
通用容错量子计算机有望加速经典计算机上难以处理的计算问题;然而,在接下来的十年左右,我们的访问仅限于嘈杂的中间尺度量子计算机(NISQ),也许还有早期容错(EFT)量子计算机。这激发了许多近期量子算法的发展,包括鲁棒幅度估计(RAE),这是一种用于估计期望值的量子增强算法。使用RAE的一个障碍是缺乏将实际误差模型纳入该算法的方法。到目前为止,设备噪声对RAE的影响被纳入其子程序之一,作为一个指数衰减模型,这是不现实的NISQ设备,也许,EFT设备,这阻碍了RAE的性能。而不是试图明确模拟现实的噪声效应,这可能是不可行的,我们绕过这个障碍,通过定制设备噪声产生一个有效的噪声模型,其对RAE的影响非常类似的指数衰减模型。使用嘈杂的模拟,我们表明,我们的噪声定制的RAE算法能够重新获得改进的偏差和精度,预计RAE。此外,在IBM的量子计算机上,我们的算法在减少偏差方面优于标准估计技术。因此,我们的工作扩展了RAE在NISQ计算机上的可行性,从而使我们更接近使用这些设备实现量子优势。
2022-08-24 quant-ph
A Feasible Design of Elementary Quantum Arithmetic Logic Units for Near-Term Quantum Computers
本文针对近期量子计算机量子比特连接受限的问题,设计了仅用Pauli-X、CNOT和CSX门且双量子比特门限于最近邻的可行QALU(含加减乘除及补码运算),推进了可扩展高效的量子算术。
2024-09-19 quant-ph
Noise-Aware Quantum Amplitude Estimation
本文提出量子振幅估计的高斯噪声模型,可嵌入多种算法实现噪声感知,并在IBM与Quantinuum量子计算机上验证其有效拟合实验数据,助力量子误差缓解。
2024-11-07 quant-ph
Experimental study of multiple-shot unitary channels discrimination using the IBM Q computers
本研究在IBM量子处理器上实验验证多次射击酉信道辨识,发现过深或过度纠缠的电路不利,而最小化纠缠且深度适中的电路对噪声更鲁棒。
2025-05-23 quant-ph
When will we have a quantum computer?
在给定时刻,具有N个量子比特的假想量子计算机的状态由2^N个量子振幅表征,其是仅受归一化条件限制的复连续变量。它们的价值观不能是任意的,它们必须在我们的控制之下。对于中等N = 1000,量子振幅的数量大大超过宇宙中粒子的数量。因此,答案的问题的标题是:当物理学家和工程师将学会保持控制这一数量的连续参数。
2019-03-26 quant-ph
Measuring the Loschmidt amplitude for finite-energy properties of the Fermi-Hubbard model on an ion-trap quantum computer
本工作在Quantinuum H2-1离子阱量子计算机上测量16位点费米-哈伯德模型的Loschmidt振幅,评估噪声影响并实施误差缓解,数值分析有限能量下算法性能并估算扩展资源需求。
2023-09-22 quant-ph
Cloning of Qubits of a Quantum Computer
系统的酉变换提供两个最佳副本的任意输入肘。提出了一种基于经典布尔代数的求量子CNOT算符所实现的任意幺正变换的算法。
2002-12-05 quant-ph
Non-unital noise in a superconducting quantum computer as a computational resource for reservoir computing
本文发现振幅阻尼噪声可增强超导量子计算机上回声状态网络的储层计算性能,理想耗散率约0.03,为容错前量子计算应用提供新途径。
2025-06-23 quant-ph
Manifold algorithmic errors in quantum computers with static internal imperfections
在某些量子计算机体系结构中,不可避免地存在静态内部缺陷和残余相互作用,导致主动算法的内部退相干、耗散和破坏性幺正移位。通过精确的数值模拟,我们确定了约瑟夫森电荷量子比特量子计算机这些错误的相对重要性和起源。特别是,我们确定CNOT门通过原生剩余耦合与其空闲相邻量子位相互作用的动力学行为很像指数衰减机制中的扰动踢顶,其中保真度衰减仅弱依赖于扰动强度。这意味着门错误(无论是酉的还是非酉的)的追溯移除可能是不可能的,并且有效的纠错方案必须与门的子组件的实现同时操作。
2008-01-21 quant-ph
The basic principles to construct a generalized state-locking pulse field and simulate efficiently the reversible and unitary halting protocol of a universal quantum computer
它已被证明(Arxiv:Quant-PH/0507236),而基于状态锁定脉冲场的可逆幺正停机协议是构造高效量子搜索过程的关键部件,而状态锁定脉冲场是产生可逆幺正停机协议的关键部件。本文对可逆幺正停止协议和广义锁态脉冲场进行了深入的理论研究。详细研究了构造锁态脉冲场和设计可逆酉停止协议的基本原理。广义锁态脉冲场一般依赖于时间和空间变量。它可以是一系列依赖于时间和空间的电磁脉冲场,也可以包含依赖于时间和空间的势场。因此,可逆的和幺正的停止协议建立了状态锁定脉冲场一般由一系列的时间和空间相关的幺正演化过程。它示出了如何构建量子控制过程,以有效地模拟可逆和单一的停机协议。提出了一种改进的基于可逆幺正停止协议的子空间约简量子程序和电路,作为进一步构造高效量子搜索过程的关键部分。提出了一个简单的原子物理系统,即双势阱中的原子离子或中性原子,来说明如何产生锁态脉冲场以及如何实现可逆的幺正停止协议。
2006-11-27 quant-ph
Benchmarking Amplitude Estimation on a Superconducting Quantum Computer
振幅估计(AE)是许多量子算法中的关键子例程,其允许在各种应用中的二次加速,如涉及估计金融蒙特卡罗模拟中的各种函数的统计的那些应用。许多工作已经投入到设计方法来有效地估计量子态的振幅,而不需要像量子傅立叶变换(QFT)这样的昂贵操作,考虑到当前NISQ设备的约束,这是特别禁止的。较新的方法减少了量子计算机上所需的操作数量,是AE子例程最有前途的近期实现。虽然在依赖于AE的应用中,量子优势的确切电路要求还有待观察,但有必要继续对该算法在当前量子计算机上的性能以及与此类子程序相关的电路成本进行基准测试。考虑到这些因素,我们扩大从以前的实验中使用极大似然估计(MLE)近似的量子态的振幅的结果,并提供经验上界的当前可行的电路深度AE超导量子计算机上。我们的研究结果表明,使用最佳编译电路的MLE目前可以在电路深度为131的情况下超过高达3次Grover迭代的朴素采样,这高于其他实验结果。这个功能基准是许多将根据当前量子硬件进行持续监测的基准之一,以衡量实现量子优势的必要进展。
2022-01-27 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Hamiltonian dynamics simulation using linear combination of unitaries on an ion trap quantum computer
本文提出一种基于预选择相关单位ary和量子多路复用器门编译策略的优化LCU方法,在离子阱量子计算机上实现哈密顿量动力学模拟,显著降低了电路深度和双量子比特门数量,并通过模拟Rabi-Hubbard哈密顿量验证了方法的有效性。
2025-02-07 quant-ph
Duality quantum computer and the efficient quantum simulations
本文首先简要介绍了对偶量子计算机。与之不同的是,作为对偶量子计算机基本演化算子的广义量子门不再是幺正的,而是可以用幺正算子的线性组合来表示。所有的线性有界算符都可以在对偶量子计算机中实现,幺正算符就是广义量子门集合的极值点。利用对偶量子计算模式,在普通量子计算机的基础上增加一个量子点,即可实现d缝对偶量子计算机。对偶量子计算机为量子算法的设计提供了灵活性和清晰的物理图像,是量子算法和经典算法之间的桥梁。在这篇综述中,我们将通过描述Childs等人[量子信息与计算,12(11-12):901-924(2012)],以及Berry等人的量子模拟算法[Phys.Rev.Lett. 114,090502(2015)],其提供了用于利用稀疏哈密顿量来模拟系统的精度的指数改进。
2015-07-12 quant-ph
Implementing high dimensional unitary representations of SU(2) on a Quantum Computer
在本文中,我们考虑了一个具有大的角动量l的系统,其状态可以用log_2(l)量子比特存储。然后问题是如何在这个表示中进行系统的空间旋转。换句话说,我们正在研究具有2l+1维的SU(2)的酉表示,并且希望使用log(l)中的资源多项式来实现这些变换。我们只给出了一个草图,我们的解决方案,其中涉及“存储”离散球谐函数Y_{l,m}(θ,φ)在量子寄存器。在建设中也有一些技术差距,但它们是基于合理的假设。我们的方法是相当繁琐的,我们希望有人会找到一个更好的解决方案。关于我们试图做的事情的一个很好的、基本的解释(不涉及物理学或表示论),请参见4.6.2节。
2004-07-18 quant-ph
The halting problem for universal quantum computers
通用量子计算机的停止被证明是不相容的约束的动力学的么正性。
1998-11-02 quant-ph
Quantum Circuits for Collective Amplitude Damping in Two-Qubit Systems
量子计算机现在已经出现在我们的社会中,并用于科学和工程的研究。目前,它们已经被建造成中等大小的计算机,包含大约50个量子比特,并且对噪声影响很弱。因此,它们被称为噪声中间尺度量子器件。为了利用这些机器实现高效的量子计算,一个关键问题将是个体和集体量子噪声的相干控制。在这项工作中,我们专注于后一种类型和集体量子噪声表示为量子线路的研究配方。为了简化我们的讨论并使其具体化,我们分析了两量子比特系统中的集体振幅阻尼过程。作为我们的形式主义和量子线路的验证,我们展示了数字量子模拟的集体振幅阻尼通过检查六个不同的初始条件,不同的数量的执行我们的量子模拟的整体操作。我们观察到,随着我们增加这样的数量,我们的结果显示出与两量子比特系统的量子主方程的解良好的数值匹配。此外,我们解释的本质的方式来扩展我们的形式化分析集体振幅阻尼在较大的量子比特系统。这些结果为建立系统的量子噪声控制方法和设计大规模量子计算机奠定了基础。
2020-12-04 quant-ph
Estimating the Jones polynomial for Ising anyons on noisy quantum computers
本研究将琼斯多项式在第四单位根处的求值归约为量子比特稳定子电路振幅计算,用Hadamard测试估计振幅,提出了噪声量子处理器的标准基准,并验证了零噪声外推法的误差缓解效果。
2025-06-16 quant-ph
Mapping renormalized coupled cluster methods to quantum computers through a compact unitary representation of non-unitary operators
非幺正理论在量子系统的经典模拟中很常见。在这些理论中,耦合团簇方程的矩量法(MMCCs)和随后的重整化耦合团簇(CC)方法已经发展成为描述各种量子系统中关联效应的最准确的方法之一。MMCC形式主义提供了一种有效的方法来校正能量的近似CC配方(母理论)使用的时刻,或CC方程,这是不用于确定近似集群振幅。本文提出了一种计算MMCC基态能量的量子算法,与经典计算或其他量子算法相比,该算法具有两个主要优点:(1)可以在整个Hilbert空间中形成任意秩的CC矩的叠加,并可以使用任意形式的父簇算符进行MMCC展开;以及(ii)通过用于一般非幺正算子的紧凑幺正表示显著减少了量子模拟中的测量次数。我们在广泛的测试案例中说明了我们的方法的鲁棒性,包括~40个分子系统,具有不同的基组,使用4~40个量子比特编码,并展示了详细的MMCC分析的8量子比特半填充,四位,单杂质安德森模型和12量子比特氟化氢分子系统从相应的无噪声和噪声MMCC量子计算。我们还概述了MMCC形式主义的情况下,酉CC波函数anonymous的扩展。
2022-11-03 quant-ph
Non-unitary Coupled Cluster Enabled by Mid-circuit Measurements on Quantum Computers
本文提出在量子电路中利用mid-circuit measurements实现非幺正耦合簇态制备,并在小型化学系统上验证其准确性,相较VQE-UCCSD平均减少28%的CNOT门和57%的T门。
2024-06-28 quant-ph
Orbital optimized unitary coupled cluster theory for quantum computer
在量子计算机的变分量子本征求解器(VQE)框架下,提出了一种幺正耦合团簇理论(OO-UCC)的轨道优化方法. OO-UCC变分确定耦合簇振幅和分子轨道系数。由于它的完全变分性质,一阶性质是容易获得的。该功能允许在VQE中优化分子结构,而无需求解任何额外的方程。此外,与UCC相比,该方法需要更小的有源空间和更浅的量子线路来实现相同的精度。我们提出了使用量子模拟器的OO-UCC的数值例子,其中包括使用VQE的解析一阶导数的水和氨分子的几何优化。
2020-03-19 cond-mat.str-el quant-ph
Quantum simulation of scattering amplitudes and interferences in perturbative QCD
本文提出利用量子计算机直接模拟QCD中费曼图的颜色部分,运动学部分经典预计算,在56量子比特离子阱量子计算机上验证,为全量子模拟微扰QCD迈出关键一步。
2025-07-09 hep-ph hep-th quant-ph
Towards a Quantum Computing Algorithm for Helicity Amplitudes and Parton Showers
高能粒子碰撞测量的解释在很大程度上依赖于完整事件发生器的性能。到目前为止,预测多粒子末态运动学的最大时间是用于计算硬过程和随后的部分子簇射步骤。随着量子器件的不断改进,需要专门的算法来开发量子计算机所能提供的潜力。我们提出了适用于量子门计算机的通用且可扩展的算法,以促进螺旋度振幅和部分子簇射过程的计算。螺旋度振幅计算利用旋量和量子比特之间的等价性以及量子计算机的独特功能来同时计算每个粒子的螺旋度,从而充分利用计算的量子性质。通过同时计算2 $\rightarrow$ 2过程的s和t通道幅度,进一步利用了经典计算机的这一优势。部分子簇射算法模拟了两步离散部分子簇射的共线发射。与经典实现相比,量子算法构造了一个波函数,其中叠加了整个部分子簇射过程的所有簇射历史,从而消除了明确跟踪单个簇射历史的需要。这两种算法都利用了量子计算机在整个计算过程中保持量子态的能力,并代表了迈向量子计算算法的第一步,以描述LHC的完整碰撞事件。
2020-10-13 hep-ex hep-ph quant-ph
An Ancilla Based Quantum Simulation Framework for Non-Unitary Matrices
基于辅助电路的成功概率通常随辅助电路中所包含的量子位的数量呈指数下降。虽然可以通过幅度放大处理来放大概率,但是幅度放大的输入依赖性使得难以顺序地组合两个或更多个基于辅助的电路。振幅放大的新版本称为不经意振幅放大,它独立于系统寄存器的输入运行。这允许我们顺序地组合两个或更多个基于辅助电路的电路。然而,这种类型的放大仅在所考虑的系统是酉或非酉但在某种程度上接近酉时才起作用。在本文中,我们提出了一个通用的框架来模拟非酉矩阵的辅助量子线路,其中的成功概率最大化,通过使用不经意的振幅放大。特别是,我们展示了如何扩展一个非酉矩阵几乎酉矩阵。然后,我们模拟的扩展矩阵,使用辅助电路设计以及不经意的幅度放大。通过测量产生矩阵到最近的酉酉矩阵的距离,给出了由不经意振幅放大过程得到的最终态保真度的下界。对不同大小的随机矩阵的数值模拟表明,与系统大小无关,最终放大概率一般在0.75左右,最终状态的保真度大多很高,在0.95左右。此外,我们讨论了复杂性分析,并表明,结合两个这样的辅助电路,矩阵产品可以实现。这可能会导致我们在量子计算机上有效地实现表示为无限矩阵乘积的矩阵函数。
2016-12-10 cs.CC quant-ph
AGP-based unitary coupled cluster theory for quantum computers
电子结构方法通常受益于对称性破缺和恢复,特别是在强相关区域。量子计算机上的Ansätze也是如此。我们发展了一个酉耦合团簇方法反对称化的孪幂(AGP)-一个国家正式相当于数投影Barning-Cooper-Schrieffer波函数。我们证明了我们的方法在一个和两个维度的单带费米-哈伯德哈密顿量。我们还探讨后选择作为一个状态准备步骤,以获得相关的AGP,并证明它的规模不差于$\mathcal{O}(\sqrt{M})$在测量的数量,从而使其成为一个更便宜的替代规范集成恢复粒子数对称性。
2022-09-23 cond-mat.str-el physics.chem-ph quant-ph
A Feasible Approach for Automatically Differentiable Unitary Coupled-Cluster on Quantum Computers
我们开发计算负担得起的和编码独立的梯度评估程序的酉耦合集群型运营商,适用于量子计算机。我们表明,在我们的框架内,相对于参数化的n重费米子激发的期望值的梯度可以由四个类似的形式和大小的期望值来评估,而大多数标准的方法的基础上直接应用的参数移位规则来与O(2^(2n))期望值的相关成本。对于实波函数,这个代价可以进一步减少到两个期望值。我们的策略是在开源软件包龙舌兰酒内实现的,并允许可微目标函数的黑板式构造。我们说明了电子基态和激发态的初步应用。
2020-11-11 physics.chem-ph physics.comp-ph quant-ph
Quantum Simulation of Non-Unitary Dynamics via Amplitude-Phase Separation
School of Mathematical Sciences, Shanghai Jiao Tong University(上海交通大学数学科学学院);Institute of Natural Sciences, Shanghai Jiao Tong University(上海交通大学自然研究院);Ministry of Education (MOE) Funded Key Lab of Scientific and Engineering Computing, Shanghai Jiao Tong University(上海交通大学教育部科学与工程计算重点实验室)
本文提出振幅-相位分离(APS)框架,用于处理非幺正动力学,通过分离相干和耗散效应,提高了量子模拟的效率和准确性,同时统一解释了多种代表性方法。
2026-05-20 math-ph math.MP quant-ph
Non-unitary operations for ground-state calculations in near term quantum computers
我们引入了一个量子蒙特卡罗启发的重新加权方案,以准确地计算最佳短量子线路的能量。这种有效的量子-经典混合方法的特点是由短的量子线路提供纠缠,同时存在有效的非幺正算符。该投影仪的函数形式借用自经典计算,能够过滤掉次优变分量子启发式拟法产生的高能分量。在计算多体晶格模型的纠缠基态能量时证明了这种方法的精确性。我们展示了一个实际的实现IBM量子硬件高达8量子位电路。
2019-10-04 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph quant-ph
Leveraging small scale quantum computers with unitarily downfolded Hamiltonians
在这项工作中,我们提出了一种基于驱动相似性重整化群(QDSRG)的量子么正向下折叠形式主义,该形式主义可以与量子算法相结合,用于有噪硬件和容错硬件。QDSRG是一种经典的多项式尺度下折方法,避免了昂贵的三体和三体以上的约化密度矩阵的评估,同时保留了经典的多参考多体理论的准确性。我们校准和测试QDSRG几个具有挑战性的化学问题,并提出了一种策略,以避免经典的指数缩放步骤中的QDSRG计划。我们报告QDSRG计算的两个化学系统使用变分量子本征求解器IBM量子设备上:i)H $_2$的解离曲线使用五重$ζ$基础和ii)双环丁烷异构化反应$trans$ -丁二烯,证明减少的问题,需要几百个量子位到一个量子位。我们的工作表明,QDSRG是一种可行的方法,利用近期量子器件的分子性质的准确估计。
2022-08-18 physics.chem-ph quant-ph
Reducing Unitary Coupled Cluster Circuit Depth by Classical Stochastic Amplitude Pre-Screening
酉耦合簇(UCC)方法是利用量子硬件来执行量子化学计算的有吸引力的途径,因为与经典计算机上所需的指数缩放相比,量子计算机原则上可以以多项式缩放方式执行UCC计算。当前有噪声的中间尺度量子(NISQ)计算机受到逻辑量子比特数量的硬件容量和由使用变分量子本征求解器(VQE)方法进行UCC计算所需的深电路引入的噪声两者的限制。我们提出了一个组合的经典-量子方法,其中一个随机的经典UCC预处理步骤是用来确定重要的激发在UCC anomaly。然后,在基于UCC的VQE计算中使用所选择的激励的减少的数量。这种方法给出了一个系统的可改进的近似,我们表明,量子资源的显着减少,可以实现,与CH $_2$,N $_2$和N $_2$ H $_2$分子的模拟给出亚毫哈特里误差。
2022-06-14 physics.chem-ph quant-ph
Charge and spin response functions on a quantum computer: applications to molecules
提出了一种在量子计算机上通过量子相位估计和统计采样构造相互作用电子系统的电荷和自旋线性响应函数的方案。通过利用电子算符的幺正分解避免了由于其非幺正性而带来的困难,我们提供了配备有辅助电路的电路,用于概率制备所需的非幺正算符作用的量子比特态。通过与基于全组态相互作用计算的精确响应函数进行比较,我们模拟了C2和N2分子的响应函数的这种构造。研究发现,要准确检测响应函数中弱极点的细微结构,需要大量的测量。
2020-01-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el quant-ph
Excitation Amplitude Sampling for Low Variance Electronic Structure on Quantum Computers
King's College London(伦敦国王学院);Capgemini(凯捷)
通过激发幅度采样和耦合簇模型,该研究在量子计算机上实现了低方差电子结构计算,并展示了对噪声的高鲁棒性。
2025-12-12 cond-mat.str-el physics.chem-ph quant-ph