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WO2023232175A1 - Method for determining ground state energies of a physical system by means of a quantum computer - Google Patents

Method for determining ground state energies of a physical system by means of a quantum computer Download PDF

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Publication number
WO2023232175A1
WO2023232175A1 PCT/DE2023/100263 DE2023100263W WO2023232175A1 WO 2023232175 A1 WO2023232175 A1 WO 2023232175A1 DE 2023100263 W DE2023100263 W DE 2023100263W WO 2023232175 A1 WO2023232175 A1 WO 2023232175A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
energy
functional
expected value
ground state
observable
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2023/100263
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Nicolas Vogt
Florian Eich
Peter SCHMITTECKERT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HQS Quantum Simulations GmbH
Original Assignee
HQS Quantum Simulations GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by HQS Quantum Simulations GmbH filed Critical HQS Quantum Simulations GmbH
Publication of WO2023232175A1 publication Critical patent/WO2023232175A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/60Quantum algorithms, e.g. based on quantum optimisation, quantum Fourier or Hadamard transforms
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/20Models of quantum computing, e.g. quantum circuits or universal quantum computers
    • GPHYSICS
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    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/40Physical realisations or architectures of quantum processors or components for manipulating qubits, e.g. qubit coupling or qubit control

Definitions

  • the invention relates to a method for determining ground state energies of a physical system using a quantum computer.
  • a typical use case for quantum computers is determining the ground state energy of the Hamiltonian of a quantum mechanical system.
  • the two most common methods for estimating ground state energy on quantum computers are variational approaches and quantum phase estimation (QPE).
  • VQE Variational Quantum Eigensolver
  • test states can be generally written as, where 9 is the vector of classical parameters, which U ⁇ di) are unitary transformations performed on the quantum computer and depend on 6 and is an initial state that can be efficiently initialized on the quantum computer.
  • NISQ Noisesy-Intermediate-Scale Quantum and refers to logic gate-based quantum computers.
  • Dissipation processes and other errors can change the available space of test states, so that a good approximation of the ground state is not found.
  • An example is the loss of electrons during simulation of a particle number-preserving electron system on a quantum computer with dissipation.
  • QPE Quantum Phase Estimation
  • a quantum Fourier transform is applied to the anzilla qubits. With a probability that depends on the initial state of the m system qubits, after measuring the anzilla qubits one obtains an stood in which the m system qubits contain the ground state. In this case, measuring the ancestral qubits results in a binary representation of the phase Eoto, from which the ground state energy Eo is obtained.
  • DFT density functional theory
  • the ground state energy is determined by minimization of an energy functional.
  • the DFT is a Legendre-transformed description of the quantum mechanical problem, in which a change from the local potentials to the local densities is made as a parameter of the system. The energy is no longer viewed as a functional of the local potentials, but as a functional of the local densities.
  • the variational parameters are not external quantities that characterize a class of wave functions, for example, but rather expected values of the quantum mechanical problem itself, the electron density in the case of DFT. Since not all contributions to the energy functional are explicitly known, they must be approximated.
  • DFT can be generalized to, among other things, reduce the contributions to be approximated in the energy functional.
  • electron density spin magnetization, electron and spin current, kinetic energy density, stress tensor, double occupancy, etc. can be considered as additional variational parameters.
  • the term functional theories is used to describe methods that describe physical systems through the extremization of a functional that depends on intrinsic system quantities or combinations of intrinsic and external quantities.
  • the object of the invention is, among other things, the determination of the ground state energy of a physical system using a quantum computer using a particularly small number of measurements on the quantum computer.
  • the invention is a method for determining ground state energies of a physical system using a quantum computer.
  • the method is characterized in that a test state is prepared for the physical system on the quantum computer, at least one expected value is determined together with commutating partial amounts of the at least one expected value of the test state and at least one expected value of an observable, using the at least one specific expected value of the observable the ground state energies of the test states are determined by generating a functional of the expected value of the test state as a function of the expected values of the observables for the physical system from the at least one specific expected value of the observables and the at least one expected value of the test state and by applying an energy minimization to the functional the ground state energy is determined.
  • the energy and expected values of (local) observables obtained in the context of a quantum simulation are related to one another in the sense of a functional theory.
  • a functional is constructed from the measurement data, the minimization of which provides a new approximate value for the ground state energy.
  • the external variational parameters are replaced by system-internal expected values. Examples of such observables are listed and described in more detail below.
  • the constructed functional is minimized.
  • the selection of the expected values represents an adjustment screw that allows the invention to be adapted to the specific problem. Essentially, the selection of observables influences the complexity of the functional to be approximated and the so-called N-representability conditions, which guarantee that the expected value of an observable can be realized by a quantum state ⁇ ip).
  • a starting state I 'init is first initialized on a qubit register of the quantum computer.
  • To determine the ground state energy of a quantum mechanical system one ideally chooses a state that already has a large overlap with the real ground state, but can be initialized efficiently with a few gates on the quantum computer.
  • An example is the ground state of an interacting electron system described within the framework of a so-called mean field approximation, which can be obtained from functional theories.
  • the Ground states of square mean-field Hamiltonians can be efficiently produced on the quantum computer (see, for example, Jiang, Z., Sung, KJ, Kechedzhi, K., Smelyanskiy, VN & Boixo, S. Quantum Algorithms to Simulate Many-Body Physics of Correlated Fermions. Phys. Rev. Applied 9, 044036 (Apr. 2018).
  • the invention presented has several advantages compared to usual variational approaches, which result from the combination of variational quantum computer algorithms with methods from functional theory.
  • VQE Variational approaches such as VQE are limited to the Fock space of possible test states that can be reached by the unitary transformations Ui ß ) from the starting state ⁇ ipintt).
  • the presented invention is not strictly limited to the Fock space of the test states and can in principle also find the ground state energy if the ground state does not correspond to any of the possible test states.
  • states close to the ground state must be sampled for a precise determination of the ground state energy, this only applies to ground states with small deviations from possible test states. For example, extrapolation is not possible if the true ground state and the possible test states have completely different symmetries.
  • each state of the quantum computer is a valid state of the simulated spin system and can be used to determine the ground state.
  • the main advantage of the invention over usual variational approaches is the faster convergence of the method, i.e. with a small number of measurements on the quantum computer.
  • Typical variational approaches require a large portion of the measurements for the final optimization steps, which only minimally improve the approximated ground state energy.
  • Black box optimizers in particular require many steps at the end of the optimization to rule out the existence of a deeper local minimum.
  • both gradient-based and black-box optimizers require multiple runs with different starting parameters to have a high probability of obtaining a good result.
  • VHA the unitary transformations in the preparation of the test state are chosen so that they correspond to the time evolution of an electron system under a gradual switching on of the interaction between electrons.
  • the classic parameters 9 correspond to pseudo time steps in the time development.
  • the classic optimizer should then find an optimized quasi-adiabatic time evolution that transfers the system from the non-interacting to the interacting ground state. This shows why it is not easy for the optimizer to find a clear optimum for parameters 9.
  • an adiabatic time evolution can have any number of revolutions If you take paths through the Fock or Hilbert space, as long as it is adiabatic enough and the initial Hamiltonian corresponds to the non-interacting system and the final Hamiltonian corresponds to the interacting system, you will get the interacting ground state. Analogously, there can in principle be many parameter sets 6 that transform the initial state into the correct basic state or a very similar state.
  • the invention uses physical observables to minimize the energy functional.
  • the constructed energy functional can provide a better approximation for the ground state energy through extrapolation, and on the other hand, the gradients of the energy functional with respect to the observables in a feedback mechanism can accelerate the optimization of the classical parameters.
  • stagnation in the minimization can be detected at an early stage and unnecessary measurements of the quantum register can be avoided.
  • the Hamilton operator H of the physical system under investigation is rewritten into a sum of products of Pauli operators for all qubits of the quantum register of the test state, where ( i ,X i , Y i ,Z i ') are the identity and Pauli operators, respectively, acting on the (/)th qubit.
  • (N) is the number of qubits in the quantum register used to store the basis states of the simulated system.
  • the expected values of the individual products of Pauli operators can be easily measured by applying a maximum of one-qubit rotation for each qubit and multiple projective measurements of the qubits in the Z-basis.
  • the expected value of the energy of the system in the test state is then determined by measurements from the quantum computer. For this purpose, “compatible” (commutating) partial energy contributions are determined simultaneously in order to optimize the number of measurements required.
  • the expected value of the energy in the test state is determined from the totality of all - generally non-commuting - partial contributions.
  • the central idea of the invention is not to use the classic parameters 9 of the test states for minimizing the energy - and thus the approximation of the ground state energy - but rather the measured expected values of the observables in relation to the test state, for example the local densities of the system . At the same time, an optimization of the measured observables can be carried out.
  • a functional of the energy can be generated from the measured observables and the energy of a large number of test states generated by the quantum computer depending on the expected values of the observables for the system under consideration.
  • the local kinetic expectation values (ct a cj a + hc ) are measured to determine the total kinetic energy, and the local densities are measured to obtain the contribution of the chemical potential to the total energy.
  • the local magnetization density and/or magnetization current can be used to describe spin systems.
  • One-particle reduced density matrix Local densities, kinetic energy and general expectation values of the one-particle reduced density matrix, see for example Gilbert, T. L. Hohenberg-Kohn theorem for nonlocal external potentials. Phys. Rev. B 12, 21 11 (1975).
  • Pair hopping plays an important role in the description of high-temperature superconductors.
  • abnormal 1 RDM expected values (1 RDM one-particle reduced density matrix) are of central importance.
  • Entanglement entropies are based on the partitioning of the system into local environments. They can be used to characterize the spread of information in the system.
  • the minimization breaks down into terms that are explicitly given by the expectation values of the observables, represented in the aforementioned equation by Ei Pi * h t , and a remainder, defined in the aforementioned equation as the infimum of the expectation value of H w over all quantum states , which provide the required expected values ⁇ .
  • H w is the Hamilton operator without terms that explicitly link to the observable
  • a multidimensional fit function can be created from the energies and the complete set of measured observables, for example with the help of machine learning techniques, the global minimum of which can be determined.
  • the fit function for determining the minimum itself can be represented, for example, by a neural network that was trained on the measured data.
  • the resulting energy functional can be minimized using classical optimization methods.
  • a physically motivated functional can be created for a specific system to be examined, also using already known approximations for specific models in the context of DFT. These functionals have parameters that can be approximately determined using the measured data. Finally, the minimum energy and thus the ground state energy can be calculated from the functionals with the fitted parameters.
  • the classic parameters 9 can be functionally fed back into the optimization in order to accelerate it.

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Abstract

The invention relates to a method for determining ground state energies of a physical system by means of a quantum computer, wherein a test state for the physical system is prepared on the quantum computer. Aside from the two most common methods to determine the ground state energy on the quantum computer, that is to say the variational approach and quantum phase estimation (QPE), the method according to the invention proposes determining ground state energies of a physical system by means of a quantum computer by determining at least one expected value of an energy with regard to the test state and at least one expected value of an observable, wherein the at least one determined expected value of the observable is used to determine the ground state energies of the test state by using the at least one determined expected value of the observable and the at least one expected value of the energy with regard to the test state to generate a functional for the energy on the basis of the expected values of the observable for the physical system and determining the ground state energy by applying an energy minimization to the functional.

Description

VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG VON GRUNDZUSTANDSENERGIEN METHOD FOR DETERMINING BASIC STATE ENERGIES

EINES PHYSIKALISCHEN SYSTEMSOF A PHYSICAL SYSTEM

MITTELS EINES QUANTENCOMPUTERS USING A QUANTUM COMPUTER

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Grundzustandsenergien eines physikalischen Systems mittels eines Quantencomputers. The invention relates to a method for determining ground state energies of a physical system using a quantum computer.

Ein typischer Anwendungsfall für Quantencomputer ist die Bestimmung der Grundzustandsenergie des Hamiltonoperators eines quantenmechanischen Systems. Die zwei verbreitetsten Methoden, um die Grundzustandsenergie auf dem Quantencomputer zu bestimmen, sind variationelle Ansätze und Quantum- Phase-Estimation (QPE). A typical use case for quantum computers is determining the ground state energy of the Hamiltonian of a quantum mechanical system. The two most common methods for estimating ground state energy on quantum computers are variational approaches and quantum phase estimation (QPE).

In einem Variationellen Quantum-Eigensolver (VQE) werden verschiedene Testzustände, abhängig von klassischen Parametern, erzeugt. Die Energie der Testzustände wird gemessen und mithilfe der klassischen Parameter minimiert. Der Testzustand mit der kleinsten Energie liefert einen genäherten Grundzustand. Die Genauigkeit der Variationellen Methoden hängt stark vom gewählten Ansatz für die Testzustände, die auf dem Quantencomputer präpariert werden, ab. In a Variational Quantum Eigensolver (VQE), different test states are generated, depending on classical parameters. The energy of the test states is measured and minimized using the classical parameters. The test state with the lowest energy provides an approximate ground state. The accuracy of the variational methods depends heavily on the approach chosen for the test states that are prepared on the quantum computer.

Weit verbreitete Ansätze reichen von sehr allgemeinen Testzuständen mit vielen freien klassischen Parametern in uCCSD (Romero, J. u. a. Strategies for quantum computing molecular energies using the unitary coupled cluster an- satz. Quantum Science and Technology 4, 014008, Oktober 2018) bis hin zu sehr problemspezifischen Ansätzen mit wenigen freien Parametern im Variatio- nal-Hamiltonian-Ansatz (VHA) (Wecker, D., Hastings, M. B. & Troyer, M. Progress towards practical quantum variational algorithms. Phys. Rev. A 92, 042303 (4 Okt. 2015)). Widely used approaches range from very general test states with many free classical parameters in uCCSD (Romero, J. et al. Strategies for quantum computing molecular energies using the unitary coupled cluster approach. Quantum Science and Technology 4, 014008, October 2018) to very problem-specific approaches with few free parameters in the Variational Hamiltonian approach (VHA) (Wecker, D., Hastings, MB & Troyer, M. Progress towards practical quantum variational algorithms. Phys. Rev. A 92, 042303 (October 4, 2015)).

Die Präparation der Testzustände kann allgemein geschrieben werden als,

Figure imgf000004_0001
wobei 9 der Vektor der klassischen Parameter ist, die U^di) unitäre Transformationen sind, die auf dem Quantencomputer durchgeführt werden und von 6 abhängen und
Figure imgf000004_0002
ein Anfangszustand ist, der auf dem Quantencomputer effizient initialisiert werden kann. The preparation of the test states can be generally written as,
Figure imgf000004_0001
where 9 is the vector of classical parameters, which U^di) are unitary transformations performed on the quantum computer and depend on 6 and
Figure imgf000004_0002
is an initial state that can be efficiently initialized on the quantum computer.

Die Minimierung über 6 ergibt die genäherte Grundzustandsenergie,

Figure imgf000004_0003
Minimizing over 6 gives the approximate ground state energy,
Figure imgf000004_0003

Bei der Bestimmung der optimalen klassischen Parameter 6opt können unter anderem folgende Probleme auftreten: When determining the optimal classical parameters 6 opt, the following problems can arise, among others:

1. Die Anwendung der unitären Transformationen U^di) auf NISQ- Quantencomputern erfolgt nicht fehlerfrei, wobei NISQ für Noisy-Intermediate- Scale Quantum steht und logikgatterbasierte Quantencomputer bezeichnet. 1. The application of the unitary transformations U^di) on NISQ quantum computers is not error-free, where NISQ stands for Noisy-Intermediate-Scale Quantum and refers to logic gate-based quantum computers.

2. Dissipationsprozesse und andere Fehler können den verfügbaren Raum von Testzuständen verändern, sodass keine gute Näherung des Grundzustandes gefunden wird. Ein Beispiel ist der Verlust von Elektronen bei der Simulation eines teilchenzahlerhaltenden Elektronensystems auf einem Quantencomputer mit Dissipation. 2. Dissipation processes and other errors can change the available space of test states, so that a good approximation of the ground state is not found. An example is the loss of electrons during simulation of a particle number-preserving electron system on a quantum computer with dissipation.

3. Mit steigender Anzahl von klassischen Variablen wird die klassische Optimierung von 9 zunehmend schwerer. Es ist aus McClean et al. (McClean, J. R., Boixo, S., Smelyanskiy, V. N., Babbush, R. & Neven, H. Barren plateaus in quantum neural network training landscapes. Nature Communications 9, 4812. issn: 2041-1723, 2018) bekannt, dass die Potentiallandschaft E(ö) mit Bestimmung der Grundzustandsenergie durch Funktionalkonstruktion basierend auf Messungen eines Quantencomputers wachsender Dimension von 6 flach wird und die Wahrscheinlichkeit einen nicht verschwindenden Gradienten zu finden exponentiell klein wird. 3. As the number of classical variables increases, the classical optimization of 9 becomes increasingly difficult. It is from McClean et al. (McClean, J. R., Boixo, S., Smelyanskiy, V. N., Babbush, R. & Neven, H. Barren plateaus in quantum neural network training landscapes. Nature Communications 9, 4812. issn: 2041-1723, 2018) known that the Potential landscape E(ö) with determination of the ground state energy by functional construction based on measurements of a quantum computer of increasing dimension of 6 becomes flat and the probability of finding a non-vanishing gradient becomes exponentially small.

4. Unabhängig von der Größe von 0, muss auf NISQ-Quantencomputern mit statistischen Schwankungen der gemessenen Energie gerechnet werden. Die Energiemessung erfolgt durch wiederholtes projektives Messen der Qubits und die endliche Zahl von Messungen führt zu einer begrenzten Auslesegenauigkeit. 4. Regardless of the size of 0, statistical fluctuations in the measured energy must be expected on NISQ quantum computers. The energy measurement is done by repeated projective measurements of the qubits and the finite number of measurements leads to limited readout accuracy.

5. Durch die statistischen Schwankungen ist die Anwendung von gradientenbasierten Optimierungsmethoden, wie das “conjugate gradient” (CG) Verfahren oder Quasi-Newton-Verfahren wie beispielsweise der Broyden-Fletcher- Goldfarb-Shanno (BFGS) Algorithmus, äußerst schwierig und es muss auf weniger performante, gradientenfreie Optimierungsverfahren, wie zum Beispiel das “Constrained optimization by linear approximation” (COBYLA) Verfahren zurückgegriffen werden. 5. Due to the statistical fluctuations, the application of gradient-based optimization methods, such as the “conjugate gradient” (CG) method or quasi-Newton methods such as the Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) algorithm, is extremely difficult and must be done less performant, gradient-free optimization methods, such as the “Constrained optimization by linear approximation” (COBYLA) method, can be used.

6. Selbst wenn gradientenbasierte Optimierer benutzt werden, sind die Ergebnisse stark von den gewählten Startwerten der klassischen Parameter, 0O, abhängig und man benötigt erfahrungsgemäß zehn oder mehr Wiederholungen des Optimierungsverfahrens, beginnend mit unterschiedlichen Startwerten der klassischen Parameter, um verlässlich ein gutes Ergebnis zu erhalten. 6. Even when gradient-based optimizers are used, the results are highly dependent on the chosen starting values of the classic parameters, 0 O , and experience shows that ten or more repetitions are required of the optimization process, starting with different starting values of the classic parameters in order to reliably obtain a good result.

Einigen der oben genannten Problemen, insbesondere denen unter Punk 4 bis 6 genannten, kann prinzipiell durch eine größere Anzahl von Messungen entgegengewirkt werden. Some of the problems mentioned above, especially those mentioned under points 4 to 6, can in principle be counteracted by a larger number of measurements.

Allerdings ist auf NISQ-Quantencomputern, insbesondere auf Hardware mit langsamen Gattern und Messungen wie lonenfallen, die Anwendbarkeit der va- riationellen Ansätze durch die benötigte große Gesamtzahl der unitären Operationen und Messungen deutlich begrenzt. However, on NISQ quantum computers, especially on hardware with slow gates and measurements such as ion traps, the applicability of the variational approaches is significantly limited by the large total number of unitary operations and measurements required.

Eine übersichtliche Zusammenfassung der zuvor genannten Punkte findet sich in dem Übersichtsartikel von McArdle et al. (Sam McArdle, Suguru Endo, Alan Aspuru-Guzik, Simon Benjamin & Xiao Yuan. Quantum computational chemistry. arXiv: 1808.10402 [quant-ph], arXiv: 1808. 10402. http://arxiv.org/abs/1808.10402 (2018) (30. Aug. 2018)). A clear summary of the points mentioned above can be found in the review article by McArdle et al. (Sam McArdle, Suguru Endo, Alan Aspuru-Guzik, Simon Benjamin & Xiao Yuan. Quantum computational chemistry. arXiv: 1808.10402 [quant-ph], arXiv: 1808. 10402. http://arxiv.org/abs/1808.10402 (2018 ) (August 30, 2018)).

Mit Hilfe von Quantum-Phase-Estimation (QPE) können bessere Ergebnisse als mit Variationellen Ansätzen erzielt werden, der Ressourcenbedarf ist allerdings deutlich größer. Um QPE auf ein quantenmechanisches System mit m Basiszuständen anzuwenden, werden neben m System-Qubits, in denen der Zustand des quantenmechanischen Systems gespeichert wird, n Anzillaqubits benötigt. Die Anzillaqubits werden mit Hadamard-Gattern in einen Überlagerungszustand gebracht und für jedes Anzillaqubit wird eine kontrollierte Zeitentwicklung auf die m Qubits angewandt,

Figure imgf000006_0001
With the help of Quantum Phase Estimation (QPE) better results can be achieved than with variational approaches, but the resource requirement is significantly greater. In order to apply QPE to a quantum mechanical system with m base states, n qubits are required in addition to m system qubits, in which the state of the quantum mechanical system is stored. The anzilla qubits are brought into a superposition state using Hadamard gates and for each anzilla qubit a controlled time evolution is applied to the m qubits,
Figure imgf000006_0001

Am Ende wird eine Quantenfouriertransformation auf die Anzillaqubits angewandt. Mit einer Wahrscheinlichkeit, die von dem Anfangszustand der m System-Qubits abhängt, erhält man nach der Messung der Anzillaqubits einen Zu- stand in dem die m System-Qubits den Grundzustand enthalten. In diesem Fall ergibt die Messung der Anzillaqubits eine binäre Repräsentation der Phase Eoto, aus der man die Grundzustandsenergie Eo erhält. In the end, a quantum Fourier transform is applied to the anzilla qubits. With a probability that depends on the initial state of the m system qubits, after measuring the anzilla qubits one obtains an stood in which the m system qubits contain the ground state. In this case, measuring the ancestral qubits results in a binary representation of the phase Eoto, from which the ground state energy Eo is obtained.

Auf klassischen Computern kann ab einer gewissen Größe des quantenmechanischen Systems der Zustandsvektor nicht mehr gespeichert werden (“exponential wall”). Zur Berechnung der Grundzustandsenergie sind Näherungsmethoden notwendig. Eine der wichtigsten Näherungsmethoden im Allgemeinen und die mit Abstand wichtigste Methode in der Quantenchemie ist die Dichtefunktionaltheorie (DFT). On classical computers, once the quantum mechanical system reaches a certain size, the state vector can no longer be stored (“exponential wall”). Approximation methods are necessary to calculate the ground state energy. One of the most important approximation methods in general and by far the most important method in quantum chemistry is density functional theory (DFT).

Im Rahmen der DFT wird, basierend auf dem Hohenberg-Kohn-Theorem (Hohenberg, P. & Kohn, W. Inhomogeneous Electron Gas. Phys. Rev. 136, B864- B871 (3B Nov. 1964)), beispielsweise die Grundzustandsenergie durch Minimierung eines Energiefunktionals berechnet. Formal ist die DFT eine Legendre- transformierte Beschreibung des quantenmechanischen Problems, bei der ein Wechsel von den lokalen Potentialen zu den lokalen Dichten als Parameter des Systems vorgenommen wird. Die Energie wird nicht mehr als Funktional der lokalen Potentiale, sondern als Funktional der lokalen Dichten betrachtet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Variationellen Verfahren in der Quantenmechanik sind die Variationellen Parameter nicht externe Größen, welche beispielsweise ein Klasse von Wellenfunktionen charakterisieren, sondern Erwartungswerte des quantenmechanischen Problems selbst, die Elektronendichte im Falle der DFT. Da nicht alle Beiträge zum Energiefunktional explizit bekannt sind, müssen diese genähert werden. In the context of DFT, based on the Hohenberg-Kohn theorem (Hohenberg, P. & Kohn, W. Inhomogeneous Electron Gas. Phys. Rev. 136, B864-B871 (3B Nov. 1964)), for example, the ground state energy is determined by minimization of an energy functional. Formally, the DFT is a Legendre-transformed description of the quantum mechanical problem, in which a change from the local potentials to the local densities is made as a parameter of the system. The energy is no longer viewed as a functional of the local potentials, but as a functional of the local densities. In contrast to conventional variational methods in quantum mechanics, the variational parameters are not external quantities that characterize a class of wave functions, for example, but rather expected values of the quantum mechanical problem itself, the electron density in the case of DFT. Since not all contributions to the energy functional are explicitly known, they must be approximated.

Näherungen von explizit unbekannten Energiebeiträgen werden vornehmlich aus Folgenden zwei Methoden gewonnen: Approximations of explicitly unknown energy contributions are primarily obtained from the following two methods:

1. Berechnung mit Hilfe eines effektiven, nicht-wechselwirkenden Quantensystems (Kohn-Sham-Konstruktion (Kohn, W. & Sham, L. J. Self-Consistent Equa- tions Including Exchange and Correlation Effects. Phys. Rev. 140, A1133- Al 138 (4A Nov. 1965))), z.B. für die kinetische Energie. 1. Calculation using an effective, non-interacting quantum system (Kohn-Sham construction (Kohn, W. & Sham, LJ Self-Consistent Equa- tions Including Exchange and Correlation Effects. Phys. Rev. 140, A1133- Al 138 (4A Nov. 1965))), e.g. for kinetic energy.

2. Berechnung aus expliziten Näherungsformeln von variabler Komplexität, z.B. für die sogenannte Austauschkorrelationsenergie. 2. Calculation from explicit approximation formulas of variable complexity, e.g. for the so-called exchange-correlation energy.

Des Weiteren kann DFT verallgemeinert werden um, unter anderem, die zu nähernden Beiträge im Energiefunktional zu reduzieren. Neben der Elektronendichte können Spinmagnetisierung, Elektronen- und Spinstrom, kinetische Energiedichte, Spannungstensor, Doppelbesetzung, etc. als zusätzliche variati- onelle Parameter betrachtet werden. Furthermore, DFT can be generalized to, among other things, reduce the contributions to be approximated in the energy functional. In addition to the electron density, spin magnetization, electron and spin current, kinetic energy density, stress tensor, double occupancy, etc. can be considered as additional variational parameters.

Im Folgenden wird der Begriff Funktionaltheorien verwendet, um Methoden zu bezeichnen, die physikalische Systeme durch die Extremalisierung eines Funktionals beschreiben, welches von intrinsischen Systemgrößen oder Kombinationen von intrinsischen und externen Größen abhängt. Das schließt DFT und oben genannte Verallgemeinerungen sowie zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie (Time-Dependent DFT, TD-DFT), DFT bei endlicher Temperatur (Finite- Temperature / Thermal-DFT, FT-DFT) und Ansätze aus der Vielteilchentheorie, z.B., Vielteilchenstörungstheorie (MBPT), Dynamical-Mean-Field-Theory (DMFT) und Einbettungsmethoden, wie beispielsweise Density-Matrix- Embedding-Theory (DMET), mit ein. In the following, the term functional theories is used to describe methods that describe physical systems through the extremization of a functional that depends on intrinsic system quantities or combinations of intrinsic and external quantities. This includes DFT and the generalizations mentioned above as well as time-dependent density functional theory (Time-Dependent DFT, TD-DFT), DFT at finite temperature (Finite-Temperature / Thermal-DFT, FT-DFT) and approaches from many-body theory, e.g., many-body perturbation theory (MBPT) , Dynamical Mean Field Theory (DMFT) and embedding methods such as Density Matrix Embedding Theory (DMET).

Des Weiteren wird der Begriff „Funktionaltheorien“ verwendet, um inverse Mean-Field Methoden zu bezeichnen, bei denen die optimalen Werte für die Parameter direkt anhand der Vielteilchenwellenwellenfunktionen, insbesondere auf dem Quantencomputer, gemessen werden, ohne eine explizite Minimierung des Funktionals durchzuführen. Furthermore, the term “functional theories” is used to describe inverse mean-field methods in which the optimal values for the parameters are measured directly using the many-body wave functions, especially on the quantum computer, without carrying out an explicit minimization of the functional.

Die Aufgabe der Erfindung ist unter anderem die Bestimmung von Grundzustandsenergie eines physikalischen Systems mit Hilfe eines Quantencomputers unter Verwendung einer besonders geringen Zahl von Messungen auf dem Quantencomputer. The object of the invention is, among other things, the determination of the ground state energy of a physical system using a quantum computer using a particularly small number of measurements on the quantum computer.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß des geltenden Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden. This task is solved using a method according to current claim 1. Advantageous embodiments of the method according to the invention can be found in the dependent claims.

Erfindungsgemäß handelt es sich um ein Verfahren zur Bestimmung von Grundzustandsenergien eines physikalischen Systems mittels eines Quantencomputers. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass für das physikalische System ein Testzustand auf dem Quantencomputer präpariert, wenigstens ein Erwartungswert zusammen mit kommutierenden Teilbeträgen des wenigstens einen Erwartungswertes des Testzustandes sowie wenigstens ein Erwartungswert einer Observablen bestimmt werden, wobei mittels des wenigstens einen bestimmten Erwartungswert der Observablen die Grundzustandsenergien der Testzustände dadurch bestimmt werden, dass aus dem wenigstens einen bestimmten Erwartungswert der Observablen und des wenigstens einen Erwartungswert des Testzustandes ein Funktional des Erwartungswert des Testzustandes in Abhängigkeit von den Erwartungswerten der Observablen für das physikalische System erzeugt und durch Anwendung einer Energieminimierung auf das Funktional die Grundzustandsenergie bestimmt wird. According to the invention, it is a method for determining ground state energies of a physical system using a quantum computer. The method is characterized in that a test state is prepared for the physical system on the quantum computer, at least one expected value is determined together with commutating partial amounts of the at least one expected value of the test state and at least one expected value of an observable, using the at least one specific expected value of the observable the ground state energies of the test states are determined by generating a functional of the expected value of the test state as a function of the expected values of the observables for the physical system from the at least one specific expected value of the observables and the at least one expected value of the test state and by applying an energy minimization to the functional the ground state energy is determined.

Mit anderen Worten: In der hier vorgeschlagenen Erfindung werden die im Rahmen einer Quantensimulation gewonnen Energie und Erwartungswerte von (lokalen) Observablen im Sinne einer Funktionaltheorie zueinander in Bezug gebracht. Das heißt, dass aus den Messdaten ein Funktional konstruiert wird, dessen Minimierung einen neuen Näherungswert für die Grundzustandsenergie liefert. Im Unterschied zu bisherigen Methoden werden die externen variationel- len Parameter dabei durch systeminterne Erwartungswerte ersetzt. Beispiele für solche Observablen sind weiter unten aufgeführt und näher beschrieben. Um die Grundzustandsenergie zu bestimmen wird das konstruierte Funktional minimiert. Die Auswahl der Erwartungswerte stellt dabei eine Stellschraube dar, welche es erlaubt die Erfindung an das spezifische Problem anzupassen. Im Wesentlichen beeinflusst die Auswahl der Observablen die Komplexität des zu nähernden Funktionals und der sogenannten N-Darstellbarkeitsbedingungen, welche garantieren, dass der Erwartungswert einer Observablen durch einen Quantenzustand \ip) realisierbar ist. In other words: In the invention proposed here, the energy and expected values of (local) observables obtained in the context of a quantum simulation are related to one another in the sense of a functional theory. This means that a functional is constructed from the measurement data, the minimization of which provides a new approximate value for the ground state energy. In contrast to previous methods, the external variational parameters are replaced by system-internal expected values. Examples of such observables are listed and described in more detail below. To determine the ground state energy, the constructed functional is minimized. The selection of the expected values represents an adjustment screw that allows the invention to be adapted to the specific problem. Essentially, the selection of observables influences the complexity of the functional to be approximated and the so-called N-representability conditions, which guarantee that the expected value of an observable can be realized by a quantum state \ip).

Die Benutzung bekannter N-Darstellbarkeitsbedingungen zur Reduktion der benötigten Anzahl von Messungen ist insbesondere in der internationalen Patentanmeldung PCT/US2017/067095 vorgeschlagen worden: Bekannte N- Darstellbarkeitsbedingungen werden benutzt, um die Anzahl der Messungen zu verringern. In dieser hier dargestellten Erfindung wird eine andere, komplementäre Strategie verfolgt, welche sich dadurch unterscheidet, dass aus den Messungen von Variationellen Quantenzuständen der funktionale Zusammenhang der Grundzustandsenergie und einer Auswahl von Observablen konstruiert wird. Dies bedeutet, dass unter der Annahme gearbeitet wird, dass die synthetisierten Quantenzustände per Konstruktion die N-Darstellbarkeitsbedingungen erfüllen und es dadurch ermöglichen, den Raum der physikalischen Erwartungswerte aufzuspannen. Insbesondere schließen die sich aus der internationalen Patentanmeldung PCT/US2017/067095 vorgeschlagene Strategie und das hier beschriebene Verfahren nicht gegenseitig aus, sondern können sogar kombiniert werden. The use of known N-representability conditions to reduce the required number of measurements has been proposed in particular in the international patent application PCT/US2017/067095: Known N-representability conditions are used to reduce the number of measurements. In this invention presented here, a different, complementary strategy is pursued, which differs in that the functional connection of the ground state energy and a selection of observables is constructed from the measurements of variational quantum states. This means that work is carried out under the assumption that the synthesized quantum states fulfill the N-representability conditions by construction and thereby make it possible to span the space of physical expectation values. In particular, the strategy proposed in the international patent application PCT/US2017/067095 and the method described here are not mutually exclusive, but can even be combined.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Startzustand I 'init) auf einem Qubitregister des Quantencomputers initialisiert. Zur Bestimmung der Grundzustandsenergie eines quantenmechanischen Systems wählt man idealerweise einen Zustand, der schon einen großen Überlapp mit dem echten Grundzustand hat, aber effizient mit wenigen Gattern auf dem Quantencomputer initialisiert werden kann. Ein Beispiel ist der Grundzustand eines wechselwirkenden Elektronensystems beschrieben im Rahmen einer sogenannten Me- an-Field-Näherung, welche aus Funktionaltheorien gewonnen werden kann. Die Grundzustände von quadratischen Mean-Field-Hamiltonoperatoren können effizient auf dem Quantencomputer hergestellt werden (siehe beispielsweise Jiang, Z., Sung, K. J., Kechedzhi, K., Smelyanskiy, V. N. & Boixo, S. Quantum Algorithms to Simulate Many-Body Physics of Correlated Fermions. Phys. Rev. Applied 9, 044036 (Apr. 2018). According to the method according to the invention, a starting state I 'init) is first initialized on a qubit register of the quantum computer. To determine the ground state energy of a quantum mechanical system, one ideally chooses a state that already has a large overlap with the real ground state, but can be initialized efficiently with a few gates on the quantum computer. An example is the ground state of an interacting electron system described within the framework of a so-called mean field approximation, which can be obtained from functional theories. The Ground states of square mean-field Hamiltonians can be efficiently produced on the quantum computer (see, for example, Jiang, Z., Sung, KJ, Kechedzhi, K., Smelyanskiy, VN & Boixo, S. Quantum Algorithms to Simulate Many-Body Physics of Correlated Fermions. Phys. Rev. Applied 9, 044036 (Apr. 2018).

Nach der Präparation des Testzustandes durch die Anwendung einer Sequenz von unitären Transformationen auf den gewählten Grundzustand werden verschiedene Erwartungswerte verschiedener Observablen in Bezug auf den Testzustand gemessen. Für die gängigen Variationellen Verfahren genügt es, den Erwartungswert der Energie zu messen. After preparing the test state by applying a sequence of unitary transformations to the selected ground state, various expected values of various observables are measured with respect to the test state. For the common variational methods it is sufficient to measure the expected value of the energy.

Die vorgestellte Erfindung hat im Vergleich zu üblichen Variationellen Ansätzen mehrere Vorteile, welche sich aus der Kombination von Variationellen Quantencomputer-Algorithmen mit Methoden aus der Funktionaltheorie ergeben. The invention presented has several advantages compared to usual variational approaches, which result from the combination of variational quantum computer algorithms with methods from functional theory.

Variationelle Ansätze wie VQE sind auf den Fockraum der möglichen Testzustände beschränkt, die durch die unitären Transformationen Ui ß ) vom Startzustand \ipintt) erreicht werden können. Durch die Auswertung des Funktionals ist die vorgestellte Erfindung nicht strikt auf den Fockraum der Testzustände beschränkt und kann prinzipiell auch die Grundzustandsenergie finden, wenn der Grundzustand keinem der möglichen Testzustände entspricht. Da aber für eine präzise Bestimmung der Grundzustandsenergie Zustände nah am Grundzustand abgetastet werden müssen, gilt dies nur für Grundzustände mit kleinen Abweichungen von möglichen Testzuständen. Eine Extrapolation ist zum Beispiel nicht möglich, wenn der wahre Grundzustand und die möglichen Testzustände völlig unterschiedliche Symmetrien haben. Variational approaches such as VQE are limited to the Fock space of possible test states that can be reached by the unitary transformations Ui ß ) from the starting state \ipintt). By evaluating the functional, the presented invention is not strictly limited to the Fock space of the test states and can in principle also find the ground state energy if the ground state does not correspond to any of the possible test states. However, since states close to the ground state must be sampled for a precise determination of the ground state energy, this only applies to ground states with small deviations from possible test states. For example, extrapolation is not possible if the true ground state and the possible test states have completely different symmetries.

Die Möglichkeit Minima außerhalb der Fockraums der Testzustände zu finden, hilft auch bei der Fehlertoleranz der vorgestellten Erfindung. Durch Fehler in NISQ-Quantencomputern während der Präparation der Testzustände kann es vorkommen, dass sich der Fockraum der Testzustände von dem wahren Grundzustand entfernt. The possibility of finding minima outside the Fock space of the test states also helps with the fault tolerance of the presented invention. Errors in NISQ quantum computers during the preparation of the test states can cause it It can happen that the Fock space of the test states moves away from the true ground state.

Ein Beispiel hierfür ist die Teilchenzahlerhaltung in Elektronensystemen. In vielen Fällen, beispielsweise in der Quantenchemie, soll der Grundzustand eines Systems mit einer fest gegebenen und bekannten Zahl von Elektronen bestimmt werden. Initialisiert man den Anfangszustand

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so führt in der Jor- dan-Wigner-Repräsentation die Depolarisation der Elektronenorbitale auf dem Quantencomputer dazu, dass sich die Zahl der Anregungen ändert und die Teilchenzahl in den Testzuständen nicht erhalten ist. Ein üblicher variationeller Ansatz kann in diesem Fall nicht die gesuchte Grundzustandsenergie finden, da kein Zustand mit richtiger Teilchenzahl gefunden werden kann. Im Vergleich dazu ist es mit der vorgestellten Erfindung möglich, zur Grundzustandsenergie bei korrekter Teilchenzahl unter Benutzung des konstruierten Energiefunktionals zu extrapolieren, solange die Teilchenzahlerhaltung nicht so stark verletzt ist, dass die Qualität des Energiefunktionals kompromittiert wird. An example of this is the conservation of particle numbers in electron systems. In many cases, for example in quantum chemistry, the ground state of a system should be determined with a fixed and known number of electrons. One initializes the initial state
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In the Jordan-Wigner representation, the depolarization of the electron orbitals on the quantum computer causes the number of excitations to change and the number of particles in the test states is not maintained. In this case, a usual variational approach cannot find the ground state energy we are looking for because no state with the correct particle number can be found. In comparison, with the presented invention it is possible to extrapolate to the ground state energy at the correct particle number using the constructed energy functional, as long as particle number conservation is not violated to such an extent that the quality of the energy functional is compromised.

Ein weiteres Problem für konventionelle variationelle Ansätze sind nichtstatische Fehler. Dabei verändern sich die Fehler auf dem Quantencomputer zwischen zwei Präparationen von Testzuständen, sodass selbst bei gleichen klassischen Parametern 6 unterschiedliche Testzustände präpariert werden. Durch die Schwankungen der Testzustände schwankt auch die gemessene Energie und der klassische Optimierer hat Probleme das Minimum zu finden. Der Hauptteil der Fehler treten während der Initialisierung des Startzustandes und den unitären Transformationen

Figure imgf000012_0002
auf, da beide im Allgemeinen eine große Zahl von Quantengattern enthalten. Die vorgestellte Erfindung wird von diesen Fehlem wenig beeinflusst. Jeder Testzustand
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der auf einem Quantencomputer mit zeitabhängigem Fehler präpariert wird, kann für die Konstruktion des Energiefunktionals herangezogen werden, auch wenn er nicht dem Zustand
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) entspricht, solange die N-Darstellbarkeitsbedingungen nicht zu stark verletzt sind. Damit produziert auch eine Messung von valide Daten für die Konstruktion des Funktionals. Für den Fall, dass die N- Darstellbarkeitsbedingungen für einen bestimmten Zustand verletzt sind, so kann der Zustand auch einfach verworfen werden. Dies gilt insbesondere für die Bestimmung des Grundzustandes von Spin-Problemen, wie sie zum Beispiel für den Quantum-Approximate-Optimization-Algorithm (QOAO) notwendig ist. In Spin-Systemen ist jeder Zustand des Quantencomputers ein valider Zustand des simulierten Spin-Systems und kann zur Bestimmung des Grundzustandes benutzt werden. Another problem for conventional variational approaches is non-static errors. The errors on the quantum computer change between two preparations of test states, so that even with the same classical parameters, 6 different test states are prepared. Due to the fluctuations in the test states, the measured energy also fluctuates and the classic optimizer has problems finding the minimum. The majority of errors occur during the initialization of the start state and the unitary transformations
Figure imgf000012_0002
because both generally contain a large number of quantum gates. The invention presented is little influenced by these errors. Any test condition
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which is prepared on a quantum computer with time-dependent error, can be used for the construction of the energy functional, even if it does not correspond to the state
Figure imgf000012_0004
) corresponds as long as the N-representability conditions are not violated too severely. This also produces a measurement of valid data for the construction of the functional. In the event that the N-representability conditions for a specific state are violated, the state can also simply be rejected. This applies in particular to determining the ground state of spin problems, such as is necessary for the Quantum Approximate Optimization Algorithm (QOAO). In spin systems, each state of the quantum computer is a valid state of the simulated spin system and can be used to determine the ground state.

Der Hauptvorteil der Erfindung gegenüber üblichen Variationellen Ansätzen besteht in der schnelleren Konvergenz der Methode, d.h. mit einer geringen Zahl von Messungen auf dem Quantencomputer. Typische variationelle Ansätze benötigen einen großen Teil der Messungen für die letzten Optimierungsschritte, welche die genäherten Grundzustandsenergie nur minimal verbessern. Insbesondere Blackbox-Optimierer benötigen am Ende der Optimierung viele Schritte, um die Existenz eines tieferen lokalen Minimums auszuschließen. Außerdem benötigen sowohl gradientenbasierte als auch Blackbox-Optimierer mehrere Läufe mit unterschiedlichen Startparametern, um mit hoher Wahrscheinlichkeit ein gutes Ergebnis zu erhalten. The main advantage of the invention over usual variational approaches is the faster convergence of the method, i.e. with a small number of measurements on the quantum computer. Typical variational approaches require a large portion of the measurements for the final optimization steps, which only minimally improve the approximated ground state energy. Black box optimizers in particular require many steps at the end of the optimization to rule out the existence of a deeper local minimum. Additionally, both gradient-based and black-box optimizers require multiple runs with different starting parameters to have a high probability of obtaining a good result.

Die hohe Schwierigkeit der klassischen Optimierung ist verständlich, wenn man sich beispielsweise die Idee des VHA genauer betrachtet. Im VHA werden die unitären Transformationen in der Präparation des Testzustandes so gewählt, dass sie der Zeitentwicklung eines Elektronensystems unter einem graduellen Einschalten der Wechselwirkung zwischen Elektronen entsprechen. Die klassischen Parameter 9 entsprechen dabei Pseudozeitschritten in der Zeitentwicklung. Der klassische Optimierer soll dann eine optimierte quasi-adiabatische Zeitentwicklung finden, die das System vom nicht-wechselwirkenden in den wechselwirkenden Grundzustand überführt. Hieran sieht man, warum es für den Optimierer nicht einfach ist, ein eindeutiges Optimum der Parameter 9 zu finden. Per Definition kann eine adiabatische Zeitentwicklung beliebig viele Um- wege durch den Fock- beziehungsweise Hilbertraum nehmen, solange sie adiabatisch genug ist und der Anfangs-Hamiltonoperator dem nichtwechselwirkenden und der End-Hamiltonoperator dem wechselwirkenden System entspricht, wird man den wechselwirkenden Grundzustand erhalten. Analog kann es prinzipiell viele Parametersätze 6 geben, die den Anfangszustand in den korrekten Grundzustand oder einen sehr ähnlichen Zustand überführen. The high difficulty of classical optimization is understandable if you take a closer look at the idea of the VHA, for example. In the VHA, the unitary transformations in the preparation of the test state are chosen so that they correspond to the time evolution of an electron system under a gradual switching on of the interaction between electrons. The classic parameters 9 correspond to pseudo time steps in the time development. The classic optimizer should then find an optimized quasi-adiabatic time evolution that transfers the system from the non-interacting to the interacting ground state. This shows why it is not easy for the optimizer to find a clear optimum for parameters 9. By definition, an adiabatic time evolution can have any number of revolutions If you take paths through the Fock or Hilbert space, as long as it is adiabatic enough and the initial Hamiltonian corresponds to the non-interacting system and the final Hamiltonian corresponds to the interacting system, you will get the interacting ground state. Analogously, there can in principle be many parameter sets 6 that transform the initial state into the correct basic state or a very similar state.

Im Gegensatz dazu verwendet die Erfindung physikalische Observablen zur Minimierung des Energiefunktionals. Das konstruierte Energiefunktional kann zum einen durch Extrapolation einen besseren Näherungswert für die Grundzustandsenergie liefern, zum anderen können die Gradienten des Energiefunktionals bezüglich der Observablen in einem Feedback-Mechanismus die Optimierung der klassischen Parameter beschleunigen. Des Weiteren hat kann mit Hilfe des Energiefunktionals und Methoden der Funktionaltheorie eine Stagnation der Minimierung frühzeitig erkannt werden und damit überflüssige Messungen des Quantenregisters vermieden werden. In contrast, the invention uses physical observables to minimize the energy functional. On the one hand, the constructed energy functional can provide a better approximation for the ground state energy through extrapolation, and on the other hand, the gradients of the energy functional with respect to the observables in a feedback mechanism can accelerate the optimization of the classical parameters. Furthermore, with the help of the energy functional and methods of functional theory, stagnation in the minimization can be detected at an early stage and unnecessary measurements of the quantum register can be avoided.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird dabei der Hamilton- operator H des untersuchten physikalischen Systems in eine Summe von Produkten von Paulioperatoren für alle Qubits des Quantenregisters des Testzustandes umgeschrieben,

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wobei ( i,Xi, Yi,Zi') die Identitäts- beziehungsweise Paulioperatoren sind, die auf das (/)-te Qubit wirken. (N) ist die Zahl der Qubits im Quantenregister, die benutzt werden, um die Basiszustände des simulierten Systems zu speichern. Die Erwartungswerte der einzelnen Produkte von Paulioperatoren können einfach durch Anwendung maximal einer Ein-Qubit-Rotation für jedes Qubit und mehrfacher projektiver Messung der Qubits in der Z-Basis gemessen werden. Anschließend wird der Erwartungswert der Energie des Systems im Testzustand durch Messungen des Quantencomputers bestimmt. Dazu werden “kompatible” (kommutierende) Teilbeiträge der Energie simultan ermittelt, um die Anzahl der benötigten Messungen zu optimieren. Aus der Gesamtheit aller - im Allgemeinen nicht kommutierenden - Teilbeiträgen, wird der Erwartungswert der Energie im Testzustand bestimmt. In an advantageous embodiment of the method, the Hamilton operator H of the physical system under investigation is rewritten into a sum of products of Pauli operators for all qubits of the quantum register of the test state,
Figure imgf000014_0001
where ( i ,X i , Y i ,Z i ') are the identity and Pauli operators, respectively, acting on the (/)th qubit. (N) is the number of qubits in the quantum register used to store the basis states of the simulated system. The expected values of the individual products of Pauli operators can be easily measured by applying a maximum of one-qubit rotation for each qubit and multiple projective measurements of the qubits in the Z-basis. The expected value of the energy of the system in the test state is then determined by measurements from the quantum computer. For this purpose, “compatible” (commutating) partial energy contributions are determined simultaneously in order to optimize the number of measurements required. The expected value of the energy in the test state is determined from the totality of all - generally non-commuting - partial contributions.

Die zentrale Idee der Erfindung ist es, für die Minimierung der Energie - und damit die Näherung der Grundzustandsenergie - nicht die klassischen Parameter 9 der Testzustände zu verwenden, sondern die gemessenen Erwartungswerte der Observablen in Bezug auf den Testzustand, zum Beispiel die lokalen Dichten des Systems. Gleichzeitig kann dabei eine Optimierung der gemessenen Observablen durchgeführt werden. The central idea of the invention is not to use the classic parameters 9 of the test states for minimizing the energy - and thus the approximation of the ground state energy - but rather the measured expected values of the observables in relation to the test state, for example the local densities of the system . At the same time, an optimization of the measured observables can be carried out.

In Anlehnung an die oben beschriebenen allgemeinen Ideen einer Funktio- naltheorie, kann aus den gemessenen Observablen und der Energie einer Vielzahl vom Quantencomputer erzeugter Testzustände ein Funktional der Energie in Abhängigkeit von den Erwartungswerten der Observablen für das betrachtete System erzeugt werden. Based on the general ideas of a functional theory described above, a functional of the energy can be generated from the measured observables and the energy of a large number of test states generated by the quantum computer depending on the expected values of the observables for the system under consideration.

Zur Konstruktion des Funktionals müssen somit von jedem Testzustand nicht nur der Erwartungswert der Energie, sondern auch die Erwartungswerte der Observablen gemessen werden. Sind diese beiden Messungen vollkommen unabhängig, so entsteht durch die Messung der Observablen ein erheblicher Mehraufwand, der dem erfindungsgemäßen Ziel zu wider läuft, nämlich mit weniger Messungen auszukommen, als in den bekannten Variationellen Ansätzen. To construct the functional, not only the expected value of the energy of each test state must be measured, but also the expected values of the observables. If these two measurements are completely independent, the measurement of the observables results in considerable additional effort, which runs counter to the aim of the invention, namely to get by with fewer measurements than in the known variational approaches.

Um somit ein Funktional zu konstruieren, dass eine gute Basis für die Minimierung der Energie liefert, werden allerdings physikalisch motivierte Observablen gewählt. Durch die Messung des Energieerwartungswertes über die oben erwähnte Zerlegung des Hamiltonoperators in Pauliprodukte können diese Ob- servablen, die ebenfalls in Pauliprodukte zerlegt werden können, in den meisten Fällen automatisch mitgemessen werden und es entsteht somit kein zusätzlicher Messaufwand. In order to construct a functional that provides a good basis for minimizing the energy, physically motivated observables are chosen. By measuring the expected energy value via the above-mentioned decomposition of the Hamilton operator into Pauli products, these ob- servables, which can also be broken down into Pauli products, are in most cases automatically measured and there is therefore no additional measurement effort.

Betrachtet man zum Beispiel das Hubbard Modell,

Figure imgf000016_0001
wobei t die Hoppingstärke, U die Dichte-Dichte Wechselwirkungsstärke, p das chemische Potential und cx n der elektronische Vernichter eines Elektrons im Orbital x mit Spin Up oder Down ist, so werden während der Messung von (H) automatisch die lokalen kinetischen Erwartungswerte (ctacj a + h. c. ) gemessen, um die gesamte kinetische Energie zu bestimmen, und die lokalen Dichten werden gemessen, um den Beitrag des chemischen Potentials zur Gesamtenergie zu erhalten. For example, if you look at the Hubbard model,
Figure imgf000016_0001
where t is the hopping strength, U is the density-density interaction strength, p is the chemical potential and c xn is the electronic annihilator of an electron in orbital x with spin up or down, the local kinetic expectation values (ct a cj a + hc ) are measured to determine the total kinetic energy, and the local densities are measured to obtain the contribution of the chemical potential to the total energy.

Observablen, die für die Konstruktion eines Funktionals genutzt werden können, sind beispielsweise: Examples of observables that can be used to construct a functional are:

- Lokale Dichten: Beispielsweise die lokalen Dichten eines Elektronensystems. Hier bestehen die größten Ähnlichkeiten zur Standard-DFT, die Dichtefunktionale verwendet. - Local densities: For example, the local densities of an electron system. This is where the greatest similarities lie with standard DFT, which uses density functionals.

- Lokale Magnetisierungsdichten: Zur Beschreibung von Spin-Systemen kann die lokale Magnetisierungsdichte und/oder Magnetisierungsstrom herangezogen werden. - Local magnetization densities: The local magnetization density and/or magnetization current can be used to describe spin systems.

- Kinetische Energien: Die Erwartungswerte der lokalen kinetischen Energien zwischen verschiedenen Plätzen in einem Gittersystem. Hier bestehen Ähnlichkeiten zu sogenannten kinetischen Funktionaltheorien (siehe beispielsweise in Löpez-Sandoval, R. & Pastor, G. M. Densitymatrix functional theory of strongly correlated lattice fermions. Phys. Rev. B 66, 1551 18 (15 Okt. 2002), Tokatly, I. V. Time-dependent current density functional theory on a lattice. Phys. Rev. B 83, 035127 (3 Jan. 2011), Theophilou, I., Buchholz, F., Eich, F. G., Ruggenthaler, M. & Rubio, A. Kinetic-Energy Density-Functional Theory on a Lattice. Journal of Chemical Theory and Computation 14. PMID: 29969552, 4072-4087 (2018) sowie Schmitteckert, P. Inverse mean field theories. Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 27600-27610 (43 2018)) - Kinetic energies: The expected values of the local kinetic energies between different locations in a grid system. There are similarities here to so-called kinetic functional theories (see for example in Löpez-Sandoval, R. & Pastor, GM Densitymatrix functional theory of strongly correlated lattice fermions. Phys. Rev. B 66, 1551 18 (15 Oct. 2002), Tokatly, IV Time-dependent current density functional theory on a lattice. Phys. Rev. B 83, 035127 (3 Jan. 2011), Theophilou, I., Buchholz, F., Eich, FG, Ruggenthaler, M. & Rubio, A. Kinetic-Energy Density-Functional Theory on a Lattice. Journal of Chemical Theory and Computation 14. PMID: 29969552, 4072-4087 (2018) and Schmitteckert, P. Inverse mean field theories. Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 27600-27610 (43 2018))

- Einteilchen-reduzierte Dichtematrix: Lokale Dichten, kinetische Energie und allgemeine Erwartungswerte der Einteilchen-reduzierten Dichtematrix, siehe beispielsweise Gilbert, T. L. Hohenberg-Kohn theorem for nonlocal external potentials. Phys. Rev. B 12, 21 11 (1975). - One-particle reduced density matrix: Local densities, kinetic energy and general expectation values of the one-particle reduced density matrix, see for example Gilbert, T. L. Hohenberg-Kohn theorem for nonlocal external potentials. Phys. Rev. B 12, 21 11 (1975).

- Dichte-Dichte-Korrelatoren: Die Doppelbesetzung oder auch lokale Dichte-Dichte-Korrelation, spielt eine wichtige Rolle in der Beschreibung von stark korrelierten Zuständen, beispielsweise im Hubbard-Modell.- Density-density correlators: The double population or local density-density correlation plays an important role in the description of highly correlated states, for example in the Hubbard model.

- Spin-Spin-Korrelatoren: Die Korrelatoren der Spinoperatoren, insbesondere (S?S2) und

Figure imgf000017_0001
spielen eine wichtige Rolle in der Beschreibung von magnetischen Zuständen. - Spin-spin correlators: The correlators of the spin operators, in particular (S?S2) and
Figure imgf000017_0001
play an important role in the description of magnetic states.

- Paarhüpfen: Das Paarhüpfen

Figure imgf000017_0002
spielt eine wichtige Rolle in der Beschreibung von Hochtemperatursupraleiter. - Pair hopping: Pair hopping
Figure imgf000017_0002
plays an important role in the description of high-temperature superconductors.

- anormale 1RDM: Für die Beschreibung von Supraleitung im Rahmen einer BCS-Theorie sind anormale 1 RDM-Erwartungwerte (1 RDM= one- particle reduced density matrix) von zentraler Bedeutung. - abnormal 1RDM: For the description of superconductivity within the framework of a BCS theory, abnormal 1 RDM expected values (1 RDM = one-particle reduced density matrix) are of central importance.

- Verschränkungsentropien: Verschränkungsentropien basieren auf der Partitionierung des Systems in lokale Umgebungen. Sie können zur Charakterisierung der Informationsausbreitung im System herangezogen werden. - Entanglement entropies: Entanglement entropies are based on the partitioning of the system into local environments. They can be used to characterize the spread of information in the system.

- Einbettungsmethoden: Funktionaltheorien, welche auf einer selbstkonsistenten Beschreibung von lokalen Clustern eingebettet in effektive Umgebungen beruhen, zum Beispiel DMET oder (Cluster-)DMFT. - Embedding methods: Functional theories that are based on a self-consistent description of local clusters embedded in effective environments, for example DMET or (cluster) DMFT.

Im Unterschied zur üblichen DFT gibt es für allgemeine Funktionaltheorien unter Umständen kein Hohenberg-Kohn-Theorem, d.h. keine eindeutige Abbildung von Grundzustandsdichten zu entsprechenden Kopplungspotentialen. Allerdings ist es möglich, ein Energiefunktional über ein sogenanntes “Constrained- Search”-Verfahren zu definieren. Dazu wird lediglich der variationelle Charakter der Grundzustandsenergie, Eo, ausgenutzt, d.h.,

Figure imgf000018_0001
gleichbedeutend mit der Aussage, dass die Grundzustandsenergie durch den kleinsten Erwartungswert des Hamiltonoperators des Systems bezüglich aller Quantenzustände \ip) gegeben ist. In einem zweiten Schritt werden alle Quantenzustände durch ihre Erwartungswerte bestimmter, generischer Dichteoperatoren oder Observablen pt, klassifiziert und die Optimierung zunächst innerhalb dieser Klassen durchgeführt,
Figure imgf000018_0002
In contrast to the usual DFT, there may be no Hohenberg-Kohn theorem for general functional theories, i.e. no clear mapping from ground state densities to corresponding coupling potentials. However, it is possible to define an energy functional using a so-called “constrained search” method. For this purpose, only the variational character of the ground state energy, Eo, is exploited, ie,
Figure imgf000018_0001
equivalent to the statement that the ground state energy is given by the smallest expectation value of the Hamiltonian of the system with respect to all quantum states \ip). In a second step, all quantum states are classified by their expected values of certain generic density operators or observables p t and the optimization is initially carried out within these classes,
Figure imgf000018_0002

Dabei zerfällt die Minimierung in Terme, welche explizit durch die Erwartungswerte der Observablen gegeben sind, in der zuvor genannten Gleichung dargestellt durch Ei Pi * ht, und einen Rest, definiert in der zuvor genannten Gleichung als Infimum des Erwartungswertes von Hw über alle Quantenzustände, welche die geforderten Erwartungswerte { liefern. Hierbei ist Hw der Hamil- tonoperator ohne Terme, welche explizit an die Observable koppeln,

Figure imgf000018_0003
The minimization breaks down into terms that are explicitly given by the expectation values of the observables, represented in the aforementioned equation by Ei Pi * h t , and a remainder, defined in the aforementioned equation as the infimum of the expectation value of H w over all quantum states , which provide the required expected values {. Here H w is the Hamilton operator without terms that explicitly link to the observable,
Figure imgf000018_0003

Dieser Operator wird eingeführt, um vom Infimum über Testzustände zum Infimum über Erwartungswerte zu gelangen. Dieser Beitrag ist im Allgemeinen nicht explizit bekannt und muss daher genähert werden. Die Wahl der Observablen p beeinflusst also wesentlich, welche Bestandteile der Energie näherungsweise betrachtet werden. Prinzipiell ist es möglich alle für die Berechnung der Energie relevanten Observablen als fundamentale Variable zu betrachten und damit alle Energiebeiträge explizit zu berechnen. Allerdings ist zu beachten, dass die N-Darstellbarkeitsbedingungen im Allgemeinen nicht hinreichend bekannt sind oder eine komplexe numerisch Implementierung erfordern. Dies bedeutet, dass es die Wahl der Observablen erlaubt Komplexität der Energiebeiträge gegen Komplexität in den N- Darstellbarkeitsbedingungen einzutauschen. Durch die Auswahl der Observablen kann also die Funktionaltheorie an das spezifische Problem angepasst werden. Die eigentliche Energieminimierung basierend auf den gemessenen Daten kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. This operator is introduced to go from the infimum over test states to the infimum over expected values. This contribution is generally not explicitly known and therefore needs to be approximated. The choice of the observable p therefore significantly influences which components of the energy are approximately considered. In principle, it is possible to consider all observables relevant to the calculation of energy as fundamental variables and thus explicitly calculate all energy contributions. However, it should be noted that the N-representability conditions are generally not well known or require a complex numerical implementation. This means that the choice of observables allows complexity of the energy contributions to be traded for complexity in the N-representability conditions. By selecting the observables, the functional theory can be adapted to the specific problem. The actual energy minimization based on the measured data can be done in different ways.

Hier werden drei mögliche Strategien vorgeschlagen: Three possible strategies are suggested here:

- Einhüllende: Plottet man die gemessene Energie über die Observablen so erhält man eine (potenziell hochdimensionale) Punktewolke. Ein Beispiel für ein Hubbard-Modell ist in der nachfolgenden Figur 1 zu sehen. Diese zeigt Samplingdaten einer VHA-Optimierung des Grundzustandes eines 6 x 1 Hubbardmodells mit periodischen Randbedingungen bei halber Füllung und U/t = 1 . Im oberen Plot ist die Energiedifferenz zur exakten Grundzustandsenergie Egs über die Abweichung der lokalen Energie vom exakten Wert 0.5 aufgetragen. Der untere Plot zeigt die Energiedifferenz über die Differenz zwischen der lokalen kinetischen Energie und der exakten lokalen kinetischen Energie im Grundzustand. In beiden Fällen sieht man Punktewolken der Messdaten, welche sich verdichten, während sie zum exakten Grundzustand hinzulaufen. Aus dieser hochdimensionalen Punktewolke kann eine konvexe Einhüllende konstruiert werden, welche eine Näherung des inneren Optimierungszyklus im Constrained-Search-Verfahren darstellt. Das Minimum des so konstruier- ten Energiefunktionals produziert eine neue Abschätzung für die Grundzustandsenergie. - Envelope: If you plot the measured energy over the observables, you get a (potentially high-dimensional) point cloud. An example of a Hubbard model can be seen in Figure 1 below. This shows sampling data from a VHA optimization of the ground state of a 6 x 1 Hubbard model with periodic boundary conditions at half filling and U/t = 1. In the upper plot, the energy difference to the exact ground state energy E gs is plotted against the deviation of the local energy from the exact value 0.5. The bottom plot shows the energy difference over the difference between the local kinetic energy and the exact local kinetic energy in the ground state. In both cases you can see point clouds of the measurement data, which condense as they converge to the exact basic state. From this high-dimensional point cloud, a convex envelope can be constructed, which represents an approximation of the inner optimization cycle in the constrained search method. The minimum of the so constructed th energy functional produces a new estimate for the ground state energy.

- Multidimensionaler Fit: Aus den Energien und dem kompletten Satz gemessener Observablen kann, beispielsweise mit Hilfe von Techniken aus dem Maschinellen-Lernen, eine multidimensionale Fitfunktion erstellt werden, deren globales Minimum bestimmt werden kann. Die Fitfunktion zur Bestimmung des Minimums selbst kann beispielsweise durch ein neuronales Netzwerk dargestellt werden, welches auf den gemessenen Daten trainiert wurde. Das daraus hervorgehende Energiefunktional kann mit klassischen Optimierungsmethoden minimiert werden. - Multidimensional fit: A multidimensional fit function can be created from the energies and the complete set of measured observables, for example with the help of machine learning techniques, the global minimum of which can be determined. The fit function for determining the minimum itself can be represented, for example, by a neural network that was trained on the measured data. The resulting energy functional can be minimized using classical optimization methods.

- Physikalisch motiviertes Funktional: Des Weiteren kann für ein konkretes zu untersuchendes Systems ein physikalisch motiviertes Funktional erstellt werden, auch unter Benutzung bereits bekannter Näherungen für spezifische Modelle im Rahmen der DFT. Diese Funktionale haben Parameter, welche mit Hilfe der gemessenen Daten näherungsweise bestimmt werden können. Aus den Funktionalen mit den gefitteten Parametern kann schließlich das Minimum der Energie und damit die Grundzustandsenergie berechnet werden. - Physically motivated functional: Furthermore, a physically motivated functional can be created for a specific system to be examined, also using already known approximations for specific models in the context of DFT. These functionals have parameters that can be approximately determined using the measured data. Finally, the minimum energy and thus the ground state energy can be calculated from the functionals with the fitted parameters.

Eine Möglichkeit, um die große Zahl von Testzuständen festzulegen, durch deren Messungen das Funktional, beispielsweise entlang der oben vorgeschlagenen Strategien, konstruiert wird, ist die Kombination der Konstruktion des Funktionals mit den bekannten Variationellen Ansätzen. Mit einem klassischen Optimierer wird die Energie der Testzustände über die klassischen Parameter 9 optimiert. Bei jeder Energiemessung werden aber auch die Observablen gemessen und gespeichert, um so sukzessive das Funktional aufzubauen. One way to determine the large number of test states through whose measurements the functional is constructed, for example along the strategies suggested above, is to combine the construction of the functional with the well-known variational approaches. With a classic optimizer, the energy of the test states is optimized using the classic parameters 9. With every energy measurement, the observables are also measured and stored in order to gradually build up the functional.

Dieser Weg wird gewählt, um möglichst viele Testzustände mit niedriger Energie zur Konstruktion des Funktionals zu verwenden. Bei rein zufällig gewählten Testzuständen wäre die Streuung zu groß, um ein sinnvolles Funktional aufzubauen. Es ist allerdings nicht unbedingt notwendig die Optimierung der klassischen Parameter 9 bis zur Konvergenz laufen zu lassen, solange genug Testzustände ausgewertet werden, um die gewünschte Genauigkeit in der Funktio- nalkonstruktion zu erhalten. Des Weiteren kann das sukzessiv verbesserteThis route is chosen to use as many low-energy test states as possible to construct the functional. When chosen purely at random In test states the spread would be too large to build a meaningful functional. However, it is not absolutely necessary to let the optimization of the classic parameters 9 run until convergence, as long as enough test states are evaluated to obtain the desired accuracy in the functional design. Furthermore, this can be successively improved

Funktional in die Optimierung der klassische Parameter 9 rückgekoppelt werden, um diese zu beschleunigen. The classic parameters 9 can be functionally fed back into the optimization in order to accelerate it.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT CLAIMS 1 . Verfahren zur Bestimmung einer Grundzustandsenergie eines physikalischen Systems mittels eines Quantencomputers, wobei für das physikalische System wenigstens ein Testzustand auf dem Quantencomputer präpariert wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Erwartungswert einer Energie in Bezug auf den Testzustand sowie wenigstens ein Erwartungswert einer Observablen bestimmt wird und mittels des wenigstens einen bestimmten Erwartungswerts der Observablen die Grundzustandsenergie des physikalischen Systems dadurch bestimmt wird, dass aus dem wenigstens einen bestimmten Erwartungswert der Observablen und der wenigstens einen Energie in Bezug auf den Testzustand ein Funktional der Energie in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Erwartungswert der Observablen für das physikalische System erzeugt und durch Anwendung einer Energieminimierung auf das Funktional die Grundzustandsenergie bestimmt wird. 1 . Method for determining a ground state energy of a physical system by means of a quantum computer, wherein at least one test state is prepared for the physical system on the quantum computer, characterized in that at least one expected value of an energy in relation to the test state and at least one expected value of an observable is determined and by means of of the at least one specific expected value of the observables, the ground state energy of the physical system is determined in that from the at least one specific expected value of the observables and the at least one energy in relation to the test state, a functional of the energy depends on the at least one expected value of the observables for the physical system is generated and the ground state energy is determined by applying energy minimization to the functional. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Testzustand von einem klassischen Parameter 6 gemäß I '(ö)
Figure imgf000022_0001
abhängig ist, wobei der Testzustand durch Initialisierung eines Startzustandes
Figure imgf000022_0002
und anschließender unitärer Transformation Uj ßi) auf einem Qubitregister des Quantencomputers gebildet wird.
2. The method according to claim 1, characterized in that the at least one test state of a classic parameter 6 according to I '(ö)
Figure imgf000022_0001
is dependent, whereby the test state is determined by initializing a start state
Figure imgf000022_0002
and subsequent unitary transformation Uj ßi) is formed on a qubit register of the quantum computer.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Testzustand durch ein variationelles Verfahren erzeugt wird, wobei in dem Variationellen Verfahren die Parameter derart optimiert werden, dass der Erwartungswert der Energie kleiner wird und dieser sich einem Minimum annähert. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Erwartungswert der Energie in Bezug auf den Testzustand als eine Summe von Teilbeiträgen gemäß (H) = i ht {Ai) gemessen wird, wobei At die gemessenen Operatoren und ht ein Vorfaktor ist, und dass gleichzeitig mittels der gemessenen Operatoren At nach 0 = £ 0^), wobei 0 die wenigstens eine Observable ist und Oi Vorfaktoren sind welche auch Null sein können, der wenigstens eine Erwartungswert der Observablen bestimmt wird. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hamiltonoperator H zur Bestimmung des wenigstens einen Erwartungswertes der Energie des physikalischen Systems und die wenigstens eine Observable in Form einer Summe von Produkten von Pauli-Operatoren für alle Qubits des Qubit- registers gemäß 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one test state is generated by a variational method, the parameters being optimized in the variational method in such a way that the expected value of the energy becomes smaller and this approaches a minimum. Method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the at least one expected value of the energy with respect to the test state is measured as a sum of partial contributions according to (H) = i ht {Ai), where A t is the measured operators and ht is a prefactor, and that at the same time by means of the measured operators A t according to 0 = £ 0^), where 0 is the at least one observable and Oi are prefactors which can also be zero, the at least one expected value of the observable is determined. Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the Hamilton operator H is used to determine the at least one expected value of the energy of the physical system and the at least one observable in the form of a sum of products of Pauli operators for all qubits of the qubit register H =
Figure imgf000023_0001
für den Hamiltonoperator und gemäß 0=
Figure imgf000023_0002
Ilt i °a für die wenigstens eine Observable beschrieben wird, wobei ([L, XL, YL, ZL) die Identitäts- oder Paulioperatoren sind, die auf das (i)-te Qubit wirken. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Funktionals eine physikalische Observable verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Observable eine lokale Dichte, eine lokale Magnetisierungsdichte, eine kinetische Energie, eine Ein-Teilchen-reduzierte Dichtematrix, eine Dichte-Dichte-Korrelation, eine Spin-Spin-Korrelation, ein Paarhüpfen, eine anormale Ein-Teilchen-reduzierte Dichtematrix, eine Verschränkungsentropie, eine Einbettungsmethode oder eine Kombination hiervon ist. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktional über ein Constrained- Search-Verfahren definiert wird, mit dem die Grundzustandsenergie des physikalischen Systems durch das Minimieren des Erwartungswerts der Energie über physikalisch erlaubte Quantenzustände bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Quantenzustände durch ihre Erwartungswerte in bestimmte, generische Dichteoperatoren oder Observablen p klassifiziert werden und eine Optimierung innerhalb der jeweiligen Klasse durchgeführt wird. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieminimierung durch Konstruktion einer einhüllenden, konvexen Struktur auf das Funktional durchgeführt wird. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieminimierung durch ein multidimensionales Anpassen an das Funktional durchgeführt wird. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieminimierung durch Erstellung eines konkreten, physikalisch motivierten Funktionals durchgeführt wird.
H =
Figure imgf000023_0001
for the Hamilton operator and according to 0=
Figure imgf000023_0002
Ilt i °a for which at least one observable is described, where ([ L , X L , Y L , Z L ) are the identity or Pauli operators acting on the (i)th qubit. Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a physical observable is used to generate the functional. Method according to claim 6, characterized in that the physical observable is a local density, a local magnetization density, a kinetic energy, a one-particle reduced density matrix, a density-density correlation, a spin-spin correlation, a pair hopping, a anomalous one-particle reduced density matrix, an entanglement entropy, an embedding method, or a combination thereof. Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the functional is defined via a constrained search method with which the ground state energy of the physical system is determined by minimizing the expected value of the energy via physically permitted quantum states. Method according to claim 8, characterized in that the quantum states are classified into specific, generic density operators or observables p by their expected values and an optimization is carried out within the respective class. Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the energy minimization is carried out by constructing an enveloping, convex structure on the functional. Method according to at least one of the preceding claims 1 to 9, characterized in that the energy minimization is carried out by a multidimensional adaptation to the functional. Method according to at least one of the preceding claims 1 to 9, characterized in that the energy minimization is carried out by creating a concrete, physically motivated functional.
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