Квантовий алгоритм для лінійних систем рівнянь (HHL09): Крок 2 - Що таке ?


9

Це продовження квантового алгоритму для лінійних систем рівнянь (HHL09): Крок 1 - Плутанина щодо використання алгоритму фазової оцінки та алгоритму Квантових лінійних систем рівнянь (HHL09): Крок 1 - Кількість необхідних кубітів .


У статті: Квантовий алгоритм для лінійних систем рівнянь (Harrow, Hassidim & Lloyd, 2009) , що записано до частини

Наступний крок - розкласти в основі власного вектора, використовуючи оцінку фаз [5–7]. Позначимо через власні вектори (або, що еквівалентно, ), а відповідні власні значення.|b|ujAeiAtλj

на сторінці має для мене певний сенс (плутанини до тих пір, поки не було вирішено в попередніх посиланнях, пов’язаних вище). Однак наступна частина, тобто обертання здається дещо виразною.2R(λ1)

Нехай

|Ψ0:=2Tτ=0T1sinπ(τ+12)T|τ

в протягом деякого великого . Коефіцієнти вибираються (слідуючи [5-7]) для мінімізації певної функції квадратичних втрат, яка відображається в нашому аналізі помилок (детальніше див. [13]).T|Ψ0

Далі застосовуємо умовну гамільтонову еволюцію на , де .τ=0T1|ττ|CeiAτt0/T|Ψ0C|bt0=O(κ/ϵ)

Запитання:

1. Що саме таке ? Що означають і ? Я не маю уявлення, звідки цей гігантський вираз раптом походить і в чому його використання.|Ψ0Tτ

2Tτ=0T1sinπ(τ+12)T|τ

2. Після етапу оцінки фази стан нашої системи очевидно :

(j=1j=Nβj|uj|λ~j)|0ancilla

Це, безумовно, не може бути записано як тобто

(j=1j=Nβj|uj)(j=1j=N|λ~j)|0ancilla

|b(j=1j=N|λ~j)|0ancilla

Отже, зрозуміло, що недоступно окремо у другому реєстрі. Тож я не маю уявлення, як вони готують такий стан, як ! Крім того, що позначає цей у ?|b|Ψ0C|bC|Ψ0C

3. Звідки цей вираз раптом з'являється? Яка користь від моделювання? А що таке в ?τ=0T1|ττ|CeiAτt0/TκO(κ/ϵ)

Відповіді:


5

1. Визначення

Імена та символи, які використовуються у цій відповіді, відповідають тим, які визначені в алгоритмах лінійних квантових систем: праймер (Dervovic, Herbster, Mountney, Severini, Usher & Wossnig, 2018) . Відкликання робиться нижче.

1.1 Зареєструйте імена

Імена регістрів визначені на рисунку 5. алгоритмів квантових лінійних систем: праймер (Dervovic, Herbster, Mountney, Severini, Usher & Wossnig, 2018) (відтворено нижче):

  • S (1 кубіт) - це регістр додатків, який використовується для перевірки, чи дійсний вихід чи ні.
  • C ( кубітів) - це тактовий регістр, тобто регістр, який використовується для оцінки власних значень гамільтоніана за допомогою квантової фазової оцінки (QPE).n
  • I ( кубіти) - це регістр, що зберігає праву частину рівняння . Він зберігає , результат рівняння, коли вимірюється як в кінці алгоритму.mAx=bxS|1

Алгоритм HHL

2. Про :|Ψ0

  1. Що саме ?|Ψ0

    |Ψ0 є одним з можливого початкового стану синхронізації регістра .C

  2. Що означають і ?Tτ

    T означає велике додатне ціле число. Цей повинен бути максимально великим, оскільки вираження асимптотики мінімізує задану помилку для зростання до нескінченності. У вираженні , буде , то число можливих станів для квантових годин .T|Ψ0T|Ψ0T2nC

    τ - лише індекс підсумовування

  3. Чому такий гігантський вираз для ?|Ψ0

    Детальне пояснення див. У публікації DaftWullie .

    Дотримуючись цитатів у квантовому алгоритмі для лінійних систем рівнянь (Harrow, Hassidim & Lloyd, 2009 v3), ми закінчуємо:

    1. Попередня версія того ж паперового квантового алгоритму для лінійних систем рівнянь (Harrow, Hassidim & Lloyd, 2009 v2) . Автори переглянули документ 2 рази (є 3 версії оригінального паперу HHL), а версія № 3 не включає всю інформацію, надану в попередніх версіях. У V2 (розділ A.3., Починаючи зі сторінки 17) автори надають детальний аналіз помилок із цим спеціальним початковим станом.
    2. Оптимальні квантові годинники (Buzek, Derka, Massar, 1998), де вираз в рівнянні 10. задано як Я не маю знань зрозуміти цілком цю частину, але здається, що цей вираз є "оптимальним" в якомусь сенсі.|Ψ0|Ψopt

3. Підготовка :|Ψ0

Як сказано в попередній частині, - це початковий стан. Вони не готуються після процедури оцінки фази. Впорядкування пропозицій не є справді оптимальним у статті. Процедура оцінки фаз, яку вони використовують у роботі, трохи відрізняється від "класичного" алгоритму оцінювання фаз, представленого у квантовій схемі, пов'язаній у частині 1, і тому вони пояснюють це докладно.|Ψ0|Ψ0

Алгоритм їх оцінки фаз:

  1. Приготуйте стан в регістрі .|Ψ0C
  2. Застосуйте умовну гамільтонову еволюцію до регістрів і (які знаходяться в стані ).CI|Ψ0|b
  3. Застосуйте квантове перетворення Фур'є до отриманого стану.

Нарешті, в означає, що стан зберігається в регістрі . Це коротка та зручна позначка для відстеження використаних регістрів.C|Ψ0C|Ψ0C

4. Гамільтонове моделювання:

Перш за все, є умовою номер ( Wikipedia сторінка на «обумовленості» ) матриці .κA

τ=0T1|ττ|CeiAτt0/T - математичне представлення квантових воріт.

Перша частина суми є контрольною частиною. Це означає, що операція буде контролюватися станом першого квантового регістра (регістр як нам говорить експонент).|ττ|CC

Друга частина - ворота «моделювання Гамільтонів», тобто квантовий затвор, який застосує унітарну матрицю, задану до другого регістра (реєстр який знаходиться у початковому стані ).eiAτt0/TI|b

Вся сума є математичним поданням керованої операції U в квантовому ланцюзі "1. Визначення", з .U=eiAτt0/T


3

Відповідаючи на ваше перше запитання, я писав собі певні записки деякий час тому про своє розуміння того, як це працювало. Позначення, мабуть, дещо інше (я намагався привести його більше у відповідність, але біти легко пропустити), але намагається пояснити цей вибір стану . Також здається, що деякі фактори плавають місцями.|Ψ012

Коли ми вперше вивчаємо оцінку фази, ми зазвичай думаємо про це стосовно використання в якомусь конкретному алгоритмі, наприклад алгоритмі Шор. Це має конкретну мету: отримати найкраще бітове наближення до власного значення. Ви або робите, або ні, і опис оцінки фази спеціально налаштований, щоб дати якомога більшу ймовірність успіху.t

У HHL ми намагаємося створити деякий стан де , використовуючи оцінку фаз. Точність наближення цього набагато критичніше залежатиме від точної оцінки власних значень, близьких до 0, а не тих, які далекі від 0. Очевидним кроком є ​​спроба змінити протокол оцінки фази так, щоб ніж для використання «бункерів» фіксованої ширини для наближення фаз ( і - кількість кубітів у регістрі оцінки фаз), ми можемо скоріше вказати набір для

|ϕ=jβjλj|λj,
|b=jβj|λj2π/TeiAtT=2ttϕyy{0,1}t щоб виступати центром кожного контейнера, щоб ми могли значно збільшити точність, близьку до 0 фази. Більш загально, ви можете вказати компромісну функцію для того, наскільки терпими ви можете бути до помилок як функції фази . Точний характер цієї функції потім може бути налаштований на дану програму, та конкретну оцінку, яку ви використаєте для визначення успіху. Що стосується алгоритму Шора, то наша заслуга полягала в тому, що цей протокол бінінгу - ми були успішними, якщо відповідь була в правильному біні та невдала поза ним. Це не відбудеться в HHL, чий успіх більш обґрунтовано сприймається безперервним заходом, таким як вірність. Отже, для загального випадку ми позначимо функцію витратϕC(ϕ,ϕ)який визначає штраф за відповіді якщо справжня фаза - .ϕϕ

Нагадаємо, що стандартний протокол оцінки фази працював, створюючи вхідний стан, який був рівномірним суперпозицією всіх базових станів для . Цей стан було використано для керування послідовним застосуванням декількох воріт з контрольованим , за якими слідує зворотне перетворення Фур'є. Уявіть, що ми могли б замінити вхідний стан на якийсь інший стан і тоді решта протоколу могла б працювати, як раніше. Зараз ми будемо ігнорувати питання про те, як важко створити новий стан , оскільки ми просто намагаємось передати основну концепцію. Починаючи з цього стану, використання керованого|xx{0,1}tU

|Ψ0=x{0,1}tαx|x,
|Ψ0Uворота (орієнтований на власний вектор власного значення ), створює стан Застосування зворотного перетворення Фур’є дає Ймовірність отримання відповіді (тобто ) - тому очікуване значення функції вартості, припускаючи випадковий розподіл , становить Uϕ
x{0,1}tαxeiϕx|x.
1Tx,y{0,1}teix(ϕ2πyM)αx|y.
yϕ=2πy/T
1T|x{0,1}teix(ϕ2πyT)αx|2
ϕ
C¯=12πT02πdϕy{0,1}t|x{0,1}teix(ϕ2πyT)αx|2C(ϕ,2πy/T),
і наше завдання - вибрати амплітуди які мінімізують це для будь-якої конкретної реалізації . Якщо ми зробимо спрощене припущення, що є лише функцією , то ми можемо зробити зміну змінної в інтеграції, щоб дати Як ми зазначали, найбільш корисним заходом, ймовірно, буде мір вірності. Подумайте, у нас є станαxC(ϕ,ϕ)C(ϕ,ϕ)ϕϕ
C¯=12π02πdϕ|x{0,1}teixϕαx|2C(ϕ),
|+і ми хочемо реалізувати унітарну , але натомість реалізуємо . Вірність вимірює, наскільки добре це досягає бажаного завдання, тому беремо оскільки в ідеальному випадку , тому помилка, яку ми хочемо мінімізувати, може сприйматися як . Це, безумовно, буде правильною функцією для оцінки будь-якогоUϕ=|00|+eiϕ|11|Uϕ=|00|+eiϕ|11|
F=|+|UϕU|+|2=cos2(ϕϕ2),
C(ϕϕ)=sin2(ϕϕ2),
F=11FUt, але для більш загального завдання модифікації амплітуд, а не лише фаз, наслідки неточностей поширюються через протокол менш тривіально, тому важко довести оптимальність, хоча функція вже забезпечить певне поліпшення щодо рівномірного суперпозиції станів. Виходячи з цієї форми, у нас є інтеграл над може виконуватися, тому ми хочемо мінімізувати функцію Це можна коротко виразити як C(ϕϕ)
C¯=12π02πdϕ|x{0,1}teixϕαx|2sin2(12ϕ),
ϕ
12x,y=0T1αxαy(δx,y12δx,y112δx,y+1).
minΨ0|H|Ψ0
де Оптимальний вибір - мінімальний власний вектор матриці , і - мінімальне власне значення Кардинально, при великому , ваги , як , а не , що ми отримали б від рівномірного зчеплення вибору
H=12x,y=0T1(δx,y12δx,y112δx,y+1)|xy|.
|Ψ0H
αx=2T+1sin((x+1)πT+1),
C¯
C¯=1212cos(πT+1).
TC¯1/T21/Tαx=1/T. Це дає значну користь для аналізу помилок.

Якщо ви хочете отримати той самий як повідомлено у документі HHL, я вважаю, що ви повинні додати умови до гамільтоніана. Однак я не маю виправдання для цього, але це, мабуть, моя недоля.|Ψ014(|0T1|+|T10|)

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.