[논문 리뷰] Ground-state energy estimation of the water molecule on a trapped ion quantum computer

Yunseong Nam, Jwo-Sy Chen외 24명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 26.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 43인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 포획 이온 양자 컴퓨터에서 공동 설계된 VQE(variational quantum eigensolver)를 시연하여 H2O의 바닥상태 에너지를 추정하고, error mitigation 없이 HF를 넘어선 최초의 세 가지 보정에 대해 화학 정확도(chemical accuracy)를 달성한다.

ABSTRACT

Quantum computing leverages the quantum resources of superposition and entanglement to efficiently solve computational problems considered intractable for classical computers. Examples include calculating molecular and nuclear structure, simulating strongly-interacting electron systems, and modeling aspects of material function. While substantial theoretical advances have been made in mapping these problems to quantum algorithms, there remains a large gap between the resource requirements for solving such problems and the capabilities of currently available quantum hardware. Bridging this gap will require a co-design approach, where the expression of algorithms is developed in conjunction with the hardware itself to optimize execution. Here, we describe a scalable co-design framework for solving chemistry problems on a trapped ion quantum computer, and apply it to compute the ground-state energy of the water molecule. The robust operation of the trapped ion quantum computer yields energy estimates with errors approaching the chemical accuracy, which is the target threshold necessary for predicting the rates of chemical reaction dynamics.

연구 동기 및 목표

• 양자 컴퓨터의 근사-term 응용으로서 양자 화학을 주된 근접 응용으로 삼고 화학 정확도를 ~1.6e-3 Ha로 정의한다.
• 트랩드-이온 하드웨어에 맞춘 양자 회로를 최적화하는 확장 가능한 공동 설계 프레임워크를 개발한다.
• H2O에 대한 VQE와 UCC 애당장을 시연하고 HF를 넘어선 첫 번째 보정 항을 평가한다.
• 화학 정확도에 도달하기 위한 양자 비트 수, 얽힘 게이트 등 자원 요구량을 정량화한다.
• 하드웨어 특유의 최적화가 화학 정확도 내의 FCI에 근접한 결과를 보임을 실험적으로 보여준다.

제안 방법

• Born-Oppenheimer 및 2차 양자 표현을 통해 분자 해밀토니안을 형식화하고; Jordan-Wigner 변환으로 큐비트에 매핑한다.
• unitary coupled-cluster 애당장을 한 번의 Trotter 스텝으로 시험 상태를 준비한다.
• 여 Excitation 항을 보스(non-bosonic)와 비보스 계 클래스로 분할하고 맞춤형 회로로 구현한다.
• 모든-대-모든( all-to-all ) 트랩드-이온 연결성을 활용하여 얽힘 게이트의 SWAP 오버헤드를 최소화한다.
• 가능한 경우 보스 excitation을 최소한의 게이트 세트(XX 게이트)로 표현하여 회로를 최적화한다.
• SPAM 및 게이트 오류를 특성화하고, 에러 완화 없이 부트스트랩된 불확실성 추정치를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 트랩드-이온 양자 컴퓨터가 UCC 애당장을 가진 VQE를 실행하여 H2O에 대한 전체 구성 상호작용 에너지에 근접하고 화학 정확도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 애당장이 화학 정확도에 도달하는 데 필요한 애당장(significant determinants) 수(항)는 몇 개이며 관련 큐비트 및 게이트 수는 얼마인가?
• RQ3 염료된-하드웨어 의식 최적화가 트랩드-이온의 올-투-올 연결성을 가장 잘 활용하여 정확도를 유지하면서 얽힘 게이트를 얼마나 최소화할 수 있는가?
• RQ4 보스 및 비보스 excitation 항이 이 시스템의 FCI 에너지로의 수렴에 기여하는 바는 무엇인가?

주요 결과

• 실험적으로 측정된 HF+1, HF+2, HF+3 에너지는 각각 -74.977(1) Ha, -74.979(2) Ha, -74.985(5) Ha 이다.
• HF+17 항을 사용하는 11 큐비트와 143 얽힘 게이트(89 CNOT, 54 소각각 XX 게이트)로 전체 해밀토니온에 대해 화학 정확도가 달성된다.
• 가장 안쪽 MO를 무시하고 단일 보스(deteminant) 보스 해밀토니안을 축소하면 HF+16 항에서 FCI 바닥상태에 2.1 mHa 이내로 근접하며 10 큐비트와 140 얽힘 게이트가 필요하다.
• In-silico VQE 시뮬레이션은 더 많은 항이 추가될수록 바닥상태 에너지가 FCI 값으로 수렴하는 것을 보여주며, 17+ 항에서 화학 정확도에 도달한다.
• HF+1 및 HF+2에 대한 실험 결과는 각각 -74.977(1) Ha 및 -74.979(2) Ha로 부트스트랩 불확실성과 함께 나타난다.
• 자원 효율적인 회로 표현(보스 excitation 및 최적화된 여덟 항 XX 기반 서브회로)은 근시험적 트랩드-이온 하드웨어에서 가능한 게이트 수를 가능하게 해준다.