Detailansicht
A first quantization approach to the variational quantum Eigensolver
Leander Thiessen
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Borivoje Dakić
DOI
10.25365/thesis.73514
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-23793.99085.555168-7
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Durchführung genauer quantenchemischer Simulationen ist eine der wichtigsten potenziellen Anwendungen von kurzfristigen Quantencomputern. Einer der bekanntesten Algorithmen für diesen Zweck ist der Variational Quantum Eigensolver (VQE). Obwohl VQE theoretisch einen exponentiellen Vorteil gegenüber klassischen Methoden bietet, müssen noch erhebliche Ressourcenanforderungen überwunden werden. Insbesondere die Anzahl der Qubits, die Schaltungstiefe und die Anzahl der Messungen übersteigen die Möglichkeiten bestehender Technologien und stellen aktive Forschungsthemen dar. VQE wird typischerweise im Rahmen der zweiten Quantisierung durchgeführt. In dieser Arbeit untersuchen wir die Möglichkeit, den Algorithmus in der ersten Quantisierung zu formulieren. Insbesondere wollen wir die folgenden Fragen beantworten: 1) Kann jeder Schritt des Algorithmus effizient in der Ersten Quantisierung implementiert werden? und 2) was sind die Vor- und Nachteile in der Leistung im Vergleich zu Ansätzen der zweiten Quantisierung? Wir untersuchen die Schritte des Algorithmus einzeln und führen eine vergleichende Analyse der Anzahl der Qubits, der Schaltungstiefe und des Messaufwands durch. Wir stellen fest, dass es in jedem Fall sowohl Vor- als auch Nachteile eines ersten Quantisierungsansatzes gibt. Abschließend widmen wir uns dem Problem der Kombination der Ansatzschaltung und der Antisymmetrisierung. Wir zeigen, dass dies eine nicht triviale Aufgabe ist, die Anpassungen der typischerweise verwendeten Antisymmetrisierungsmethoden erfordert. Wir demonstrieren dies, indem wir diese Methode auf den qubit-ADAPT-VQE-Ansatz anwenden und numerische Simulationen durchführen, um die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Herstellung antisymmetrisierter Ansatzzustände zu bestimmen.
Abstract
(Englisch)
Performing accurate quantum chemistry simulations is one of the main potential applications of near-term quantum computers. One of the most prominent algorithms for this purpose is the Variational Quantum Eigensolver (VQE). Although VQE does, in theory, provide an exponential advantage over classical methods, there are still significant resource requirements that need to be overcome. In particular, the number of qubits, the circuit depth, and the number of measurements exceed the capabilities of existing technologies and present active research topics. VQE is typically performed in the framework of Second Quantization. In this thesis, we explore the possibility of formulating the algorithm in First Quantization. In particular, we aim to answer the following questions: 1) can every step of the algorithm be implemented efficiently in First Quantization? and 2) what are the advantages and disadvantages in performance compared to Second Quantization approaches? We investigate the steps of the algorithm individually and perform a comparative analysis of the number of qubits, the circuit depth, and the measurement cost. We find that in each case, there are both advantages and disadvantages of a First Quantization approach. Finally, we address the problem of combining the Ansatz circuit and the antisymmetrization. We show that this is a non-trivial task that requires adjustments in the antisymmetrization methods that are typically used. We demonstrate this by applying this method to the qubit-ADAPT-VQE Ansatz and performing numerical simulations to determine the probability of successfully preparing antisymmetrized Ansatz states.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Quantenphysik Quantencomputing Variational Quantum Eigensolver VQE Quantenchemie Quantensimulation
Schlagwörter
(Englisch)
Quantum physics Quantum computing variational Quantum Eigensolver VQE quantum chemistry quantum simulation
Autor*innen
Leander Thiessen
Haupttitel (Englisch)
A first quantization approach to the variational quantum Eigensolver
Paralleltitel (Deutsch)
Der Variational Quantum Eigensolver in erster Quantisierung
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
107 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Borivoje Dakić
Klassifikationen
33 Physik > 33.19 Theoretische Physik. Sonstiges ,
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC16858397
Utheses ID
66641
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |