[论文解读] Tangelo: An Open-source Python Package for End-to-end Chemistry Workflows on Quantum Computers

Valentin Senicourt, James M. Brown+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

Tangelo 是一个开源的 Python 软件包，通过提供模块化、后端无关的工具，支持在量子计算机上实现端到端的量子化学工作流，涵盖量子线路的设计、编译和执行。它支持问题分解、变分量子算法（如 VQE），并可与多个量子后端（例如 Qiskit、Cirq、Braket）集成，显著降低资源需求，并加速包括开壳层和激发态在内的分子系统的实验进程。

ABSTRACT

Tangelo [link: https://github.com/goodchemistryco/Tangelo] is an open-source Python software package for the development of end-to-end chemistry workflows on quantum computers, released under Apache 2.0 license. It aims to support the design of successful experiments on quantum hardware, and to facilitate advances in quantum algorithm development. The software enables quick exploration of different approaches by assembling reusable building blocks and algorithms, with the flexibility to let users introduce their own. Tangelo is backend-agnostic and enables switching between various backends (Braket, Qiskit, Qulacs, Azure Quantum, QDK, Cirq...) with minimal changes in the code. The package can be used to explore quantum computing applications such as open-shell systems, excited states, or more industrially-relevant systems by leveraging problem decomposition at scale. This paper outlines the design choices, philosophy, and main features of Tangelo.

研究动机与目标

• 解决在近期量子硬件上设计实用且资源高效的量子化学实验的挑战。
• 通过提供可重用、可组合的构建模块，降低研究人员探索和比较量子算法的门槛。
• 通过最小代码修改，实现与多个量子计算后端（例如 Qiskit、Cirq、Azure Quantum）的无缝集成。
• 支持涉及问题分解（例如 DMET）、变分算法和测量优化的高级工作流，以获得更精确的结果。
• 通过开源协作和模块化软件设计，促进社区驱动的开发与互操作性。

提出的方法

• 采用模块化架构，提供可重用的组件，用于分子输入、哈密顿量转换和量子线路构建。
• 使用第二量化分子哈密顿量，通过 FermionOperator 表达，并利用费米子到自旋映射（例如 Jordan-Wigner、Bravyi-Kitaev）转换为自旋算符。
• 通过统一接口支持变分量子电子态求解器（VQE）工作流，支持参数化量子线路和后端无关的执行。
• 通过串联、反转、拆分非纠缠子系统以及堆叠以实现并行执行等操作，支持线路操作。
• 与第三方工具（如 PySCF 用于 Hartree-Fock 计算和积分变换）以及 OpenFermion（用于算符处理）集成。
• 通过识别哈密顿量中仅含实系数的项，优化测量协议，以最小化测量次数并提高精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计端到端的量子化学工作流，以在近期量子设备上最小化量子比特和门数，同时保持精度？
• RQ2 将大型分子系统分解为更小、可处理的片段进行量子模拟的最有效方法是什么？
• RQ3 如何抽象化量子线路设计，并在多个量子计算后端之间实现可移植性，且代码修改极少？
• RQ4 预处理和后处理技术在减少测量开销和提升变分量子算法收敛性方面发挥什么作用？
• RQ5 如何通过可重用、可组合的软件组件，加速新型量子化学算法的开发与比较？

主要发现

• Tangelo 通过最小化样板代码，支持在多个后端上快速原型化量子算法，实现端到端的量子化学工作流构建。
• 该软件包成功通过 DMET 支持问题分解，通过将片段隔离并单独进行量子模拟，显著降低了 H10 等大系统对资源的需求。
• 线路操作功能（如拆分、堆叠和变分门控制）可实现资源使用的优化和并行执行策略。
• 后端无关的设计允许在 Qiskit、Cirq、Braket 等框架之间无缝切换，仅需极少代码修改，显著提升可移植性和可复现性。
• Tangelo 与 PySCF 和 OpenFermion 的集成，实现了分子哈密顿量的精确生成与转换，为量子化学模拟提供了坚实基础。
• 该工具支持变分量子算法（如 VQE），提供参数化线路，并具备提取和分析结果的工具，包括从测量期望值计算能量。