Resource-Optimized Fermionic Local-Hamiltonian Simulation on a Quantum Computer for Quantum Chemistry

哈密顿量(控制论) 量子计算机 计算机科学 算法 量子位元 量子 量子算法 统计物理学 量子模拟器 量子力学 物理 数学 数学优化
作者
Qingfeng Wang,Ming Li,C. Monroe,Yunseong Nam
出处
期刊:Quantum [Verein zur Förderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften]
卷期号:5: 509-509 被引量:24
标识
DOI:10.22331/q-2021-07-26-509
摘要

The ability to simulate a fermionic system on a quantum computer is expected to revolutionize chemical engineering, materials design, nuclear physics, to name a few. Thus, optimizing the simulation circuits is of significance in harnessing the power of quantum computers. Here, we address this problem in two aspects. In the fault-tolerant regime, we optimize the Rz and T gate counts along with the ancilla qubit counts required, assuming the use of a product-formula algorithm for implementation. We obtain a savings ratio of two in the gate counts and a savings ratio of eleven in the number of ancilla qubits required over the state of the art. In the pre-fault tolerant regime, we optimize the two-qubit gate counts, assuming the use of the variational quantum eigensolver (VQE) approach. Specific to the latter, we present a framework that enables bootstrapping the VQE progression towards the convergence of the ground-state energy of the fermionic system. This framework, based on perturbation theory, is capable of improving the energy estimate at each cycle of the VQE progression, by about a factor of three closer to the known ground-state energy compared to the standard VQE approach in the test-bed, classically-accessible system of the water molecule. The improved energy estimate in turn results in a commensurate level of savings of quantum resources, such as the number of qubits and quantum gates, required to be within a pre-specified tolerance from the known ground-state energy. We also explore a suite of generalized transformations of fermion to qubit operators and show that resource-requirement savings of up to more than 20%, in small instances, is possible.
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