[논문 리뷰] Towards molecular energy calculations on a quantum computer

B. P. Lanyon, James Whitfield외 10명|arXiv (Cornell University)|2009. 05. 06.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 반복적 위상 추정 알고리즘을 사용하여 H2 분자의 전자 에너지를 광학적 양자 컴퓨팅 방법으로 계산하는 방식을 제시하며, 높은 정밀도와 오차에 대한 강건성을 달성한다. 양자 및 고전적 계산을 융합함으로써 양자 화학 시뮬레이션을 위한 확장 가능한 프레임워크를 제시하며, 향후 분자 에너지 계산에서의 양자 우위를 위한 이론적 기초를 마련한다.

ABSTRACT

The fundamental problem faced in quantum chemistry is the calculation of molecular properties, which are of practical importance in fields ranging from materials science to biochemistry. Within chemical precision, the total energy of a molecule as well as most other properties, can be calculated by solving the Schrodinger equation. However, the computational resources required to obtain exact solutions on a conventional computer generally increase exponentially with the number of atoms involved. This renders such calculations intractable for all but the smallest of systems. Recently, an efficient algorithm has been proposed enabling a quantum computer to overcome this problem by achieving only a polynomial resource scaling with system size. Such a tool would therefore provide an extremely powerful tool for new science and technology. Here we present a photonic implementation for the smallest problem: obtaining the energies of H2, the hydrogen molecule in a minimal basis. We perform a key algorithmic step - the iterative phase estimation algorithm - in full, achieving a high level of precision and robustness to error. We implement other algorithmic steps with assistance from a classical computer and explain how this non-scalable approach could be avoided. Finally, we provide new theoretical results which lay the foundations for the next generation of simulation experiments using quantum computers. We have made early experimental progress towards the long-term goal of exploiting quantum information to speed up quantum chemistry calculations.

연구 동기 및 목표

• 고전적 방법의 지수적 스케일링 문제를 해결하면서 양자 컴퓨터를 사용하여 분자 에너지를 계산하기 위한 실용적인 양자 알고리즘을 개발하는 것.
• H2 분자의 최소 기저에서 광학적 양자 플랫폼에 반복적 위상 추정 알고리즘을 구현하는 것.
• 확장 가능하지는 않지만 실험적으로 구현 가능한 설정에서 실험 오차에 강건한 고정밀 에너지 계산을 달성하는 것.
• 향후 세대의 양자 시뮬레이션 실험을 위한 이론적 기초를 마련하는 것.
• 현재의 양자 하드웨어 한계와 장기적인 목표인 확장 가능한 양자 화학 시뮬레이션 간 격차를 메우는 것.

제안 방법

• 연구는 반복적 위상 추정(IPE) 알고리즘을 사용하여 광학적 양자 프로세서에서 H2 분자의 기저 상태 에너지를 추정한다.
• H2 분자의 하미르토니안을 표현하기 위해 최소 기저를 사용하여 시스템을 두 큐비트 문제로 단순화한다.
• 양자 연산은 선형 광학 요소를 사용하여 구현되며, 단일 큐비트 및 제어 위상 게이트는 광학 간섭계를 통해 실현된다.
• 고전적 계산은 알고리즘 파라미터 최적화 및 중간 단계 검증을 지원하여 하이브리드 양자-고전적 접근법을 가능하게 한다.
• 양자 설정에서 디코herence와 게이트의 정확도 부족에 대한 저항력을 향상시키기 위해 오차 보정 기법을 적용한다.
• 더 큰 분자와 향후 양자 하드웨어를 위한 일반화된 접근법을 제시하기 위해 이론적 분석을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반복적 위상 추정 알고리즘이 광학적 양자 프로세서에 성공적으로 구현되어 H2의 기저 상태 에너지를 고정밀도로 계산할 수 있는가?
• RQ2 하드웨어 제약에도 불구하고 하이브리드 양자-고전적 접근법은 어떻게 정확한 에너지 추정을 가능하게 하는가?
• RQ3 이 접근법을 더 큰 분자로 확장할 때의 주요 이론적 및 실험적 과제는 무엇인가?
• RQ4 근접한 시장의 양자 시뮬레이션에서 오차에 강건한 성능을 달성하는 방법은 무엇인가?
• RQ5 향후 대규모 양자 화학 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해 확립되어야 할 기본 원리는 무엇인가?

주요 결과

• 반복적 위상 추정 알고리즘이 광학적 양자 프로세서에서 완전히 구현되어 H2 분자의 고정밀 에너지 추정을 달성하였다.
• 실험은 실험 오차에 강건함을 입증하여 노이즈가 있는 중규모 양자(NISQ) 장치에서의 양자 시뮬레이션 가능성을 확인하였다.
• 하이브리드 양자-고전적 프레임워크가 성공적으로 알고리즘 실행을 지원하여 비확장성에도 불구하고 정확한 결과를 도출하였다.
• 더 큰 분자 시스템으로의 방법 확장에 기초가 되는 이론적 결과가 도출되었다.
• 이 연구는 양자 컴퓨터를 사용한 아보-아이티오 양자 화학 계산을 향한 중요한 실험적 이정표를 마련하였다.
• 이 방법은 향후 고장내성 양자 하드웨어를 사용한 더 복잡한 분자의 시뮬레이션을 위한 길을 열었다.