[论文解读] Identifying challenges towards practical quantum advantage through resource estimation: the measurement roadblock in the variational quantum eigensolver

Jérôme F. Gonthier, Maxwell D. Radin+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 55被引用 24

一句话总结

本文將變分量子特徵值求解器（VQE）中的測量開銷識別為實用量子優勢在計算化學中的一個關鍵障礙。透過廣泛的資源估計，本文表明即使採用先進技術如冷凍自然軌域與哈密頓量低秩分解，VQE 在計算小分子燃燒能時仍需過多的測量次數才能達到準確性，這表明需要採用基於相干性的新方法（如貝葉斯振幅估計）才能實現近期量子優勢。

ABSTRACT

Recent advances in Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) devices have brought much attention to the potential of the Variational Quantum Eigensolver (VQE) and related techniques to provide practical quantum advantage in computational chemistry. However, it is not yet clear whether such algorithms, even in the absence of device error, could achieve quantum advantage for systems of practical interest and how large such an advantage might be. To address these questions, we have performed an exhaustive set of benchmarks to estimate number of qubits and number of measurements required to compute the combustion energies of small organic molecules to within chemical accuracy using VQE as well as state-of-the-art classical algorithms. We consider several key modifications to VQE, including the use of Frozen Natural Orbitals, various Hamiltonian decomposition techniques, and the application of fermionic marginal constraints. Our results indicate that although Frozen Natural Orbitals and low-rank factorizations of the Hamiltonian significantly reduce the qubit and measurement requirements, these techniques are not sufficient to achieve practical quantum computational advantage in the calculation of organic molecule combustion energies. This suggests that new approaches to estimation leveraging quantum coherence, such as Bayesian amplitude estimation [arXiv:2006.09350, arXiv:2006.09349], may be required in order to achieve practical quantum advantage with near-term devices. Our work also highlights the crucial role that resource and performance assessments of quantum algorithms play in identifying quantum advantage and guiding quantum algorithm design.

研究动机与目标

• 評估VQE是否能透過現有優化技術在計算小分子燃燒能時實現實用的量子優勢。
• 識別近期量子裝置中主要的資源瓶頸，特別是測量次數。
• 評估關鍵VQE優化技術（如冷凍自然軌域、哈密頓量分解與費米子邊際約束）對資源需求的影響。
• 判斷現有VQE變體是否能在可行的量子位與測量次數內達成化學準確性。
• 透過強調需要發展基於相干性的估計技術以克服測量限制，為未來演算法設計提供指引。

提出的方法

• 對多種優化技術（冷凍自然軌域、低秩哈密頓量分解與費米子邊際約束）的VQE進行全面基準測試。
• 估算在小分子燃燒能計算中達成化學準確性（1 kcal/mol）所需的量子位與測量次數。
• 與當前先進的經典演算法對比，評估相對計算優勢。
• 使用資源估計技術模擬在現實無噪聲條件下所需的總電路執行次數（即測量次數）。
• 透過分析分子大小增加時量子位與測量次數的擴展性，評估VQE變體的可擴展性。
• 探討基於相干性的估計方法（如貝葉斯振幅估計）作為未來發展路徑的潛力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在當前優化技術下，VQE是否能實現計算小分子燃燒能的實用量子優勢？
• RQ2 在這些化學問題中，VQE的主要資源瓶頸是量子位數還是測量次數？
• RQ3 冷凍自然軌域與低秩哈密頓量分解等技術在多大程度上能減少VQE中的測量開銷？
• RQ4 現有的VQE變體是否足以在資源限制可行的情況下，對具有實際意義的分子達成化學準確性？
• RQ5 哪些利用量子相干性的替代估計策略可能是克服測量瓶頸所必需的？

主要发现

• 即使使用冷凍自然軌域與低秩哈密頓量分解，VQE仍需極其龐大的測量次數才能以化學準確性計算燃燒能。
• 即使量子位需求因先進優化技術而顯著降低，測量次數仍是主要瓶頸。
• 由於測量開銷過大，現有VQE變體無法在小分子上實現實用的量子優勢。
• 結果表明，必須採用基於相干性的估計技術（如貝葉斯振幅估計）以減少測量需求，進而實現近期量子優勢。
• 資源與性能評估對於識別演算法限制並引導更高效量子演算法的開發至關重要。