Квантовий алгоритм для лінійних систем рівнянь (HHL09): Крок 1 - Плутанина щодо використання алгоритму оцінки фаз


11

Я вже деякий час намагаюся обвести голову навколо відомого (?) Паперового квантового алгоритму для лінійних систем рівнянь (Harrow, Hassidim & Lloyd, 2009) (більш відомий як папір алгоритмів HHL09 ).

На першій сторінці вони кажуть :

Ми прорисуємо тут основну ідею нашого алгоритму, а потім детальніше обговоримо його в наступному розділі. З огляду на ермітовим N×N матриці А , а одиничний вектор , припустимо , що ми хотіли б знайти , що задовольняють . (Ми обговорюємо більш пізні питання ефективності, а також те, як можна розслабити припущення, зроблені нами щодо і .) По-перше, алгоритм представляє як квантовий стан . Далі ми використовуємо методи моделювання гамільтонів [3, 4], щоб застосувати до→ x A → x = → b A → bб→х→Ах→=б→Аб→б→|б⟩=∑i=1Nбi|i⟩еiАт|бi⟩ для суперпозиції різних часів . Ця здатність до експоненціації переводить за допомогою відомої методики фазової оцінки [5–7] у здатність розкласти в власній базі і знайти відповідні власні значення Неофіційно, стан система після цього етапу близька до , де - основа власного вектора і .А | б ⟩ λ J Σ J = N J = 1 β J | у J ⟩ | λ J ⟩ у J | б ⟩ = Σ J = N J = 1 β J | у J ⟩тА|б⟩Аλj∑j=1j=Nβj|уj⟩|λj⟩уjА|б⟩=∑j=1j=Nβj|уj⟩

Все йде нормально. Як описано в Nielsen & Chuang у розділі " Квантове перетворення Фур'є та його застосування ", алгоритм оцінки фази використовується для оцінки в e i 2 π φ, що є власним значенням, що відповідає власному вектору | у ⟩ унітарного оператора U .φеi2πφ|у⟩U

Ось відповідна порція від Nielsen & Chuang:

Алгоритм оцінки фази використовує два регістри. Перший реєстр містить кубітів, спочатку в державі | 0 ⟩ . Те, як ми виберемо t, залежить від двох речей: від кількості цифр точності, яку ми бажаємо мати в нашій оцінці для φ , і з якою ймовірністю бажаємо, щоб процедура оцінки фази була успішною. Залежність t від цих величин закономірно випливає з наступного аналізу.т|0⟩тφт

Другий реєстр починається у державному і містить стільки ж кубітів , як це необхідно для зберігання | у ⟩ . Фазова оцінка проводиться у два етапи. Спочатку застосуємо схему, показану на рисунку 5.2. Схема починається з застосування перетворення Адамара до першого регістра, після чого застосовується керовані операції U на другому регістрі, з U підняті до послідовних потужностей двох. Кінцевий стан першого регістра легко видно:|у⟩|у⟩UU

12т/2(|0⟩+досвід(2πi2т-1φ)|1⟩)(|0⟩+досвід(2πi2т-2φ)|1⟩)...(|0⟩+досвід(2πi20φ)|1⟩)=12т/2∑к=02т-1досвід(2πiφк)|к⟩

введіть тут опис зображення

Другий етап оцінки фази полягає в застосуванні зворотного квантового перетворення Фур'є на перший регістр. Це отримується шляхом обертання схеми для квантового перетворення Фур'є в попередньому розділі (вправа 5.5) і може бути виконано в кроки. Третій і заключний етап оцінки фази - це зчитування стану першого регістра, шляхом вимірювання в обчислювальній основі. Ми покажемо, що це дає досить хорошу оцінку φ . Загальна схема алгоритму наведена на рисунку 5.3.Θ(т2)φ

Щоб загострити нашу інтуїцію щодо того, чому працює оцінка фаз, припустимо, що може бути виражений саме цілими бітами, як φ = 0. φ 1 . . . φ t . Тоді стан (5.20), отриманий в результаті першого етапу оцінки фази, може бути переписанийφφ=0.φ1...φт

12т/2(|0⟩+досвід⁡(2πi0.φт|1⟩)(|0⟩+досвід⁡(2πi0.φт-1φт|1⟩)...(|0⟩+досвід⁡(2πi0.φ1...φт|1⟩)

Другий етап оцінки фази полягає в застосуванні зворотного квантового перетворення Фур'є. Але порівнюючи попереднє рівняння з формою добутку для перетворення Фур'є (рівняння (5.4)), ми бачимо, що вихідним станом на другій стадії є стан продукту . Отже, вимірювання в обчислювальній основі дає нам точно φ !|φ1...φт⟩φ

введіть тут опис зображення

Підводячи підсумок, алгоритм оцінки фаз дозволяє оцінити фазу власного значення унітарного оператора U за даним відповідним власним вектором | у ⟩ . Істотною особливістю в основі цієї процедури є здатність зворотного перетворення Фур'є здійснювати перетворенняφU|у⟩

12t/2∑j=02t−1exp⁡(2πiφj)|j⟩|u⟩→|φ~⟩|u⟩

Почнемо звідси. Я знайшов хорошу схему для алгоритму HHL09 тут [ ]† :

введіть тут опис зображення

Крок 1 (Оцінка фази):

На першому кроці алгоритму HHL09 використовується та сама концепція (стандартного алгоритму квантової оцінки фаз, як описано у Нільсена та Чуанга). Однак ми маємо пам’ятати, що сам по собі не є унітарним оператором. Однак, якщо припустити, що A є ермітієм, то експонентна e i A t є унітарною (не хвилюйтесь, існує розв'язок у випадку, якщо A не є гермітом!). AAeiAtA

Тут ми можемо записати . Тут є ще один тонкий момент. Ми не знаємо власних векторів | у J ⟩ з U заздалегідь (але ми знаємо , що для будь-якої унітарної матриці розміру N × N існує N ортонормованих власних векторів). Крім того, нам потрібно нагадати, що якщо власними значеннями A є λ j, то власними значеннями e i A t будуть e i λ j tU=еiАт|уj⟩UN×NNАλjеiАтеiλjт. Якщо порівняти це з формою власних значень, наведених у Нільсена та Чуанга для тобто якщо e 2 π i φ ≡ e i λ j t , ми знайдемо φ = λ j tUе2πiφ≡еiλjт . У цьому випадку ми починаємо в державі| б⟩(яка може бути записана у вигляді суперпозиції власних векторівUтобтоХ J = N J = 1 & betaJ|уJ⟩)а не якийсьабо конкретний власний вектор| уJ⟩зU, наскільки другий регістр кубітів стурбований. Якби ми почали в державі| у⟩⊗(|0⟩)⊗тми б закінчили зφ=λjт2π|б⟩U∑j=1j=Nβj|уj⟩|уj⟩U|у⟩⊗(|0⟩)⊗т т | у J ⟩ ⊗ | ~ λ j t|у⟩⊗|φ~⟩(враховуючищоλJє власним значеннямпов'язаний з власним вектором|UJ⟩зA). Тепер, замість цього, якщо ми почнемо з суперпозиції власних векторів∑j=Nj=1βj| уJ⟩ми повинні закінчити зЕJ=NJ=1βJ| уJ⟩⊗| ~λjt|уj⟩⊗|λjт2π~⟩λj|уj⟩А∑j=1j=Nβj|уj⟩.∑j=1j=Nβj|uj⟩⊗|λjt2π~⟩

Питання:

Частина 1 : У статті HHL09 вони писали про стан системи після цього етапу оцінки фази: . Однак із написаного вище мені здається, що стан системи повинен бути скоріше rather j = N j = 1 β j | у J ⟩ ⊗ | ~ λ j t∑j=1j=Nβj|uj⟩⊗|λ~j⟩.∑j=1j=Nβj|уj⟩⊗|λjт2π~⟩

Що я тут пропускаю? Звідки взявся фактор зникають у їхньому алгоритмі?т2π

Edit: Частина 2 було запропоновано тут , щоб зробити окремі питання більш зосередженим.


У мене також є декілька плутанин щодо кроку 2 та кроку 3 алгоритму HHL09, але я вирішив розмістити їх як окремі потокові питання, оскільки ця стає занадто довгою. Я додаю посилання на ці теми запитів, після цього повідомлення, коли вони будуть створені.

[ ]: Експерименти з гомоморфного шифрування на хмарній квантовій обчислювальній платформі IBM Huang та ін. (2016 р.)†


1
@ Неліме, що походить від формули t = 3 + ⌈ log 2 ( 2 + 16. Він позначає кількість кубітів у "першому регістрі", необхідних для представлення кожного| λJ⟩або| λjtт=3+⌈журнал2⁡(2+12(0,1))⌉=3+3=6|λj⟩до3-bits точності і з90%точністю. До уваги, зауважте, що частина питання тепер перенесенатут. |λjт2π⟩390%
— Санчаян Дутта

Відповіді:


5

Це залежить від паперів, але я побачив 2 підходи:

  1. У більшості робіт, які я читаю про алгоритм HHL та його реалізацію, час емісії гамільтонів приймається таким, що цей фактор зникає, тобто t = t 0 = 2 π .тт=т0=2π

  2. Орієнтовне власне значення часто записується . У деяких документах ця позначення дійсно означає "наближення справжнього власного значення λ ", а в інших роботах вони, схоже, включають tλ~λ у цьому визначенні, тобто " ˜ λ - наближення значенняλtт2πλ~ ".λт2π

Ось декілька посилань:

  1. Квантові алгоритми лінійних систем: праймер (Dervovic, Herbster, Mountney, Severini, Usher & Wossnig, 2018) : повна і дуже хороша стаття про алгоритм HHL та деякі вдосконалення. Стаття від 22 лютого 2018 р. Значення вас цікавить, вперше розглядається на сторінці 30, в легенді малюнка 5 і фіксується в 2 π .т2π

  2. Квантове проектування схем для розв’язування лінійних систем рівнянь (Cao, Daskin, Frankel & Kais, 2013) (візьміть v2, а не v3): детальна реалізація алгоритму HHL для фіксованої матриці 4x4. Якщо ви плануєте скористатися статтею, дозвольте попередити, що в цьому є деякі помилки. Я можу надати вам ті, кого я знайшов, якщо вас цікавить. Значення для (яке в даній роботі позначається як t 0 ) фіксується на 2 π на другій сторінці (на початку правого стовпця).тт02π

  3. т=2π

  4. т0=2π


2

Що я тут пропускаю? Звідки взявся фактор т2π

Uе-iλтλт/(2π)Аλ

Uе-iλтАλ⟩

|λ~⟩

Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.