Estimating ground state energies of many-body Hamiltonians is a central task in many areas of quantum physics. In this work, we give quantum algorithms which, given any $k$-body Hamiltonian $H$, compute an estimate for the ground state energy and prepare a quantum state achieving said energy, respectively. Specifically, for any $\varepsilon>0$, our algorithms return, with high probability, an estimate of the ground state energy of $H$ within additive error $\varepsilon M$, or a quantum state with the corresponding energy. Here, $M$ is the total strength of all interaction terms, which in general is extensive in the system size. Our approach makes no assumptions about the geometry or spatial locality of interaction terms of the input Hamiltonian and thus handles even long-range or all-to-all interactions, such as in quantum chemistry, where lattice-based techniques break down. In this fully general setting, the runtime of our algorithms scales as $2^{cn/2}$ for $c<1$, yielding the first quantum algorithms for low-energy estimation breaking a standard square root Grover speedup for unstructured search. The core of our approach is remarkably simple, and relies on showing that an extensive fraction of the interactions can be neglected with a controlled error. What this ultimately implies is that even arbitrary $k$-local Hamiltonians have structure in their low energy space, in the form of an exponential-dimensional low energy subspace.


翻译:估计多体哈密顿量的基态能量是量子物理多个领域的核心任务。在本工作中,我们提出了量子算法,对于任意$k$-体哈密顿量$H$,分别计算其基态能量的估计值并制备达到该能量的量子态。具体而言,对于任意$\varepsilon>0$,我们的算法以高概率返回$H$基态能量的加性误差$\varepsilon M$内的估计值,或具有相应能量的量子态。此处$M$为所有相互作用项的总强度,通常随系统尺度呈广延性增长。我们的方法不对输入哈密顿量相互作用项的几何结构或空间局域性作任何假设,因此可处理甚至长程或全对全相互作用(如量子化学中晶格方法失效的情形)。在此完全普适的设置下,我们算法的运行时间按$2^{cn/2}$缩放(其中$c<1$),首次实现了在低能态估计问题上突破非结构化搜索中标准平方根Grover加速的量子算法。我们方法的核心极为简洁,其关键在于证明在可控误差范围内可忽略广延比例的相互作用项。这最终意味着即使任意$k$-局域哈密顿量在其低能空间中亦具有结构,即存在指数维度的低能子空间。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18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
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9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
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
论文浅尝 | 利用 RNN 和 CNN 构建基于 FreeBase 的问答系统
开放知识图谱
11+阅读 · 2018年4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
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17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
1+阅读 · 2016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
3+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
47+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
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
VIP会员
最新内容
DeepSeek 版Claude Code,免费小白安装教程来了!
专知会员服务
10+阅读 · 5月5日
《美空军条令出版物 2-0:情报(2026版)》
专知会员服务
14+阅读 · 5月5日
帕兰提尔 Gotham:一个游戏规则改变器
专知会员服务
9+阅读 · 5月5日
【综述】 机器人学习中的世界模型:全面综述
专知会员服务
13+阅读 · 5月4日
伊朗的导弹-无人机行动及其对美国威慑的影响
相关资讯
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
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
论文浅尝 | 利用 RNN 和 CNN 构建基于 FreeBase 的问答系统
开放知识图谱
11+阅读 · 2018年4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
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
相关基金
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
1+阅读 · 2016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
3+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
47+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
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
Top
微信扫码咨询专知VIP会员