Many promising quantum applications depend on the efficient quantum simulation of an exponentially large sparse Hamiltonian, a task known as sparse Hamiltonian simulation, which is fundamentally important in quantum computation. Although several theoretically appealing quantum algorithms have been proposed for this task, they typically require a black-box query model of the sparse Hamiltonian, rendering them impractical for near-term implementation on quantum devices. In this paper, we propose a technique named Hamiltonian embedding. This technique simulates a desired sparse Hamiltonian by embedding it into the evolution of a larger and more structured quantum system, allowing for more efficient simulation through hardware-efficient operations. We conduct a systematic study of this new technique and demonstrate significant savings in computational resources for implementing prominent quantum applications. As a result, we can now experimentally realize quantum walks on complicated graphs (e.g., binary trees, glued-tree graphs), quantum spatial search, and the simulation of real-space Schr\"odinger equations on current trapped-ion and neutral-atom platforms. Given the fundamental role of Hamiltonian evolution in the design of quantum algorithms, our technique markedly expands the horizon of implementable quantum advantages in the NISQ era.


翻译:许多有前景的量子应用依赖于对指数级稀疏哈密顿量的高效量子模拟,这一任务被称为稀疏哈密顿量模拟,在量子计算中具有根本重要性。尽管已有几种理论上吸引人的量子算法被提出用于此任务,但它们通常要求对稀疏哈密顿量采用黑盒查询模型,导致其难以在近期量子设备上实现。本文提出一种名为“哈密顿量嵌入”的技术。该技术通过将目标稀疏哈密顿量嵌入到更大且结构更规整的量子系统演化中,使得硬件高效操作能够实现更高效的模拟。我们对该新技术进行了系统研究,并证明了其在实现重要量子应用时可显著节省计算资源。基于此,我们如今能在当前离子阱和中性原子平台上实验实现复杂图(如二叉树、胶合树图)上的量子行走、量子空间搜索以及实空间薛定谔方程的模拟。鉴于哈密顿量演化在量子算法设计中的基础性作用,我们的技术显著拓展了NISQ时代可实现的量子优势的应用前景。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2024年2月26日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
4+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
4+阅读 · 6月17日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员