ขั้นตอนวิธีเชิงควอนตัมสำหรับระบบเชิงเส้นของสมการ (HHL09): ขั้นตอนที่ 2 - คืออะไร


9

นี้เป็นผลสืบเนื่องไปยังขั้นตอนวิธีการควอนตัมสำหรับระบบเชิงเส้นของสมการ (HHL09): ขั้นตอนที่ 1 - ความสับสนเกี่ยวกับการใช้งานของขั้นตอนวิธีการขั้นตอนการประเมินและอัลกอริทึมควอนตัมสำหรับระบบเชิงเส้นของสมการ (HHL09): ขั้นตอนที่ 1 - จำนวน qubits จำเป็น


ในกระดาษ: อัลกอริทึม Quantum สำหรับระบบเชิงเส้นของสมการ (Harrow, Hassidim & Lloyd, 2009)สิ่งที่เขียนถึงส่วน

ขั้นตอนต่อไปคือการย่อยสลาย |bในรูปแบบไอเจนิคเตอร์ใช้การประมาณเฟส [5–7] แสดงโดย|uj eigenvectors ของ A (หรือเทียบเท่าจาก eiAt) และโดย λj ค่าลักษณะเฉพาะที่สอดคล้องกัน

บนหน้า 2ทำให้รู้สึกบางอย่างกับฉัน (confusions จนถึงจนกว่าจะมีการระบุไว้ในโพสต์ก่อนหน้าเชื่อมโยงด้านบน) อย่างไรก็ตามส่วนต่อไปคือR(λ1) การหมุนดูเหมือนเป็นความลับเล็กน้อย

ปล่อย

|Ψ0:=2Tτ=0T1sinπ(τ+12)T|τ

สำหรับบางคนที่มีขนาดใหญ่ T. ค่าสัมประสิทธิ์ของ|Ψ0 ถูกเลือก (ตาม [5-7]) เพื่อลดฟังก์ชั่นการสูญเสียกำลังสองซึ่งปรากฏในการวิเคราะห์ข้อผิดพลาดของเรา (ดู [13] สำหรับรายละเอียด)

ต่อไปเราใช้วิวัฒนาการมิลโตเนียนแบบมีเงื่อนไข τ=0T1|ττ|CeiAτt0/T บน |Ψ0C|bที่ไหน t0=O(κ/ϵ).

คำถาม:

1.อะไรกันแน่|Ψ0? ทำอะไรT และ τหมายถึง? ฉันไม่รู้เลยว่าการแสดงออกของยักษ์ตัวนี้ที่ไหน

2Tτ=0T1sinπ(τ+12)T|τ
ทันใดนั้นมาจากสิ่งที่มันใช้

2. หลังจากขั้นตอนการประมาณเฟสสถานะของระบบของเราจะเห็นได้ชัด :

(j=1j=Nβj|uj|λ~j)|0ancilla

สิ่งนี้ไม่สามารถเขียนได้อย่างแน่นอน

(j=1j=Nβj|uj)(j=1j=N|λ~j)|0ancilla
กล่าวคือ

|b(j=1j=N|λ~j)|0ancilla

ดังนั้นจึงเป็นที่ชัดเจนว่า |bไม่สามารถใช้งานแยกกันในการลงทะเบียนครั้งที่สอง ดังนั้นฉันจึงไม่รู้เลยว่าพวกเขากำลังเตรียมรัฐอย่างไร |Ψ0C|bในที่แรก! นอกจากนี้สิ่งที่ทำC ในตัวยกของ |Ψ0C แสดง?

3.การแสดงออกนี้อยู่ที่ไหนτ=0T1|ττ|CeiAτt0/Tทันใดนั้นมาจากไหน? การใช้แบบจำลองคืออะไร และอะไรคือκ ใน O(κ/ϵ) ?

คำตอบ:


5

1. คำจำกัดความ

รายชื่อและสัญลักษณ์ที่ใช้ในคำตอบนี้เป็นไปตามที่กำหนดไว้ในควอนตัมเชิงเส้นขั้นตอนวิธีการระบบ: ไพรเมอร์ (Dervovic, Herbster, Mountney, Severini, อัชเชอร์และ Wossnig 2018) การเรียกคืนเสร็จสิ้นด้านล่าง

1.1 ลงทะเบียนชื่อ

ชื่อการลงทะเบียนถูกกำหนดในรูปที่ 5 ของอัลกอริทึมระบบเชิงเส้นควอนตัม: ไพรเมอร์ (Dervovic, Herbster, Mountney, Severini, Usher & Wossnig, 2018) (ทำซ้ำด้านล่าง):

  • S (1 qubit) คือการลงทะเบียน ancilla ที่ใช้ตรวจสอบว่าเอาต์พุตนั้นถูกต้องหรือไม่
  • C (n qubits) คือการลงทะเบียนนาฬิกาเช่นการลงทะเบียนที่ใช้ในการประเมินค่าลักษณะเฉพาะของ hamiltonian ด้วยการประมาณระยะควอนตัม (QPE)
  • I (m qubits) คือรีจิสเตอร์ที่จัดเก็บทางด้านขวาของสมการ Ax=b. มันเก็บxผลลัพธ์ของสมการเมื่อ S วัดเป็น |1 ในตอนท้ายของอัลกอริทึม

HHL algorithm

2. เกี่ยวกับ |Ψ0:

  1. อะไรกันแน่ |Ψ0?

    |Ψ0 เป็นหนึ่งในสถานะเริ่มต้นที่เป็นไปได้ของการลงทะเบียนนาฬิกา C.

  2. ทำอะไร T และ τ หมายถึง?

    Tย่อมาจากจำนวนเต็มบวกขนาดใหญ่ นี้T ควรมีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่จะทำได้เพราะการแสดงออกของ |Ψ0 asymptotically ลดข้อผิดพลาดที่กำหนดสำหรับ Tเติบโตอย่างไม่มีที่สิ้นสุด ในการแสดงออกของ|Ψ0, T จะ 2nจำนวนของสถานะที่เป็นไปได้สำหรับนาฬิกาควอนตัม C.

    τ เป็นเพียงดัชนีรวม

  3. ทำไมสีหน้าขนาดมหึมาถึง |Ψ0?

    ดูโพสต์ของ DaftWullieสำหรับคำอธิบายโดยละเอียด

    ติดตามการอ้างอิงในอัลกอริทึมควอนตัมสำหรับระบบเชิงเส้นของสมการ (Harrow, Hassidim & Lloyd, 2009 v3)เราจบลงด้วย:

    1. รุ่นก่อนหน้าของกระดาษที่เดียวกันอัลกอริทึมควอนตัมสำหรับระบบเชิงเส้นของสมการ (คราด Hassidim และลอยด์ 2009 v2) ผู้เขียนแก้ไขกระดาษ 2 ครั้ง (มีกระดาษ HHL ต้นฉบับ 3 รุ่น) และรุ่น n ° 3 ไม่รวมข้อมูลทั้งหมดที่ให้ไว้ในรุ่นก่อนหน้า ใน V2 (ส่วน A.3. เริ่มต้นที่หน้า 17) ผู้เขียนให้การวิเคราะห์รายละเอียดของข้อผิดพลาดด้วยสถานะเริ่มต้นพิเศษนี้
    2. นาฬิกาควอนตัมที่เหมาะสมที่สุด (Buzek, Derka, Massar, 1998)ที่ซึ่งการแสดงออกของ|Ψ0 ได้รับเป็น |Ψopt ในสมการที่ 10 ฉันไม่มีความรู้ที่จะเข้าใจส่วนนี้อย่างเต็มที่ แต่ดูเหมือนว่าการแสดงออกนี้จะ "ดีที่สุด" ในบางแง่มุม

3. การเตรียมการของ |Ψ0:

ดังที่ได้กล่าวไว้ในส่วนก่อนหน้านี้ |Ψ0เป็นสถานะเริ่มต้น พวกเขาไม่ได้เตรียม|Ψ0หลังจากขั้นตอนการประมาณเฟส การเรียงประโยคไม่เหมาะสมที่สุดในกระดาษ ขั้นตอนการประมาณเฟสที่ใช้ในกระดาษแตกต่างจากอัลกอริทึมการประมาณเฟสแบบ "คลาสสิค" ที่แสดงในวงจรควอนตัมที่เชื่อมโยงในส่วนที่ 1 และนั่นคือเหตุผลที่พวกเขาอธิบายในรายละเอียด

อัลกอริทึมการประมาณเฟสของพวกเขาคือ:

  1. เตรียมความพร้อม |Ψ0 รัฐในการลงทะเบียน C.
  2. ใช้วิวัฒนาการมิลโตเนียนตามเงื่อนไขกับผู้ลงทะเบียน C และ I (ซึ่งอยู่ในสถานะ |Ψ0|b)
  3. ใช้การแปลงฟูริเยร์ควอนตัมกับสถานะที่เกิดขึ้น

ในที่สุด, C ใน |Ψ0C หมายความว่ารัฐ |Ψ0 is stored in the register C. This is a short and convenient notation to keep track of the registers used.

4. Hamiltonian simulation:

First of all, κ is the condition number (Wikipedia page on "condition number") of the matrix A.

τ=0T1|ττ|CeiAτt0/T is the mathematical representation of a quantum gate.

The first part in the sum |ττ|C is a control part. It means that the operation will be controlled by the state of the first quantum register (the register C as the exponent tells us).

The second part is the "Hamiltonian simulation" gate, i.e. a quantum gate that will apply the unitary matrix given by eiAτt0/T to the second register (the register I that is in the initial state |b).

The whole sum is the mathematical representation of the controlled-U operation in the quantum circuit of "1. Definitions", with U=eiAτt0/T.


3

In answer to your first question, I wrote myself some notes some time ago about my understanding of how it worked. The notation is probably a bit different (I've tried to bring it more into line, but it's easy to miss bits), but attempts to explain that choice of the state |Ψ0. There also seem to be some factors of 12 floating around in places.

When we first study phase estimation, we're usually thinking about it in respect to use in some particular algorithm, such as Shor's algorithm. This has a specific goal: getting the best t-bit approximation to the eigenvalue. You either do, or you don't, and the description of phase estimation is specifically tuned to give as high a success probability as possible.

In HHL, we are trying to produce some state

|ϕ=jβjλj|λj,
where |b=jβj|λj, making use of phase estimation. The accuracy of the approximation of this will depend far more critically on an accurate estimation of the eigenvalues that are close to 0 rather than those that are far from 0. An obvious step therefore, is to attempt to modify the phase estimation protocol so that rather than using `bins' of fixed width 2π/T for approximating the phases of eiAt (T=2t and t is number of qubits in phase estimation register), we might rather specify a set of ϕy for y{0,1}t to act as the centre of each bin so that we can have vastly increased accuracy close to 0 phase. More generally, you might specify a trade-off function for how tolerant you might be of errors as a function of the phase ϕ. The precise nature of this function can then be tuned to a given application, and the particular figure of merit which you will use to determine success. In the case of Shor's algorithm, our figure of merit was simply this binning protocol -- we were successful if the answer was in the correct bin, and unsuccessful outside it. This is not going to be the case in HHL, whose success is more reasonably captured by a continuous measure such as the fidelity. So, for the general case, we shall designate a cost function C(ϕ,ϕ) which specifies a penalty for answers ϕ if the true phase is ϕ.

Recall that the standard phase estimation protocol worked by producing an input state that was the uniform superposition of all basis states |x for x{0,1}t. This state was used to control the sequential application of multiple controlled-U gates, which are followed up by an inverse Fourier transform. Imagine we could replace the input state with some other state

|Ψ0=x{0,1}tαx|x,
and then the rest of the protocol could work as before. For now, we will ignore the question of how hard it is to produce the new state |Ψ0, as we are just trying to convey the basic concept. Starting from this state, the use of the controlled-U gates (targeting an eigenvector of U of eigenvalue ϕ), produces the state
x{0,1}tαxeiϕx|x.
Applying the inverse Fourier transform yields
1Tx,y{0,1}teix(ϕ2πyM)αx|y.
The probability of getting an answer y (i.e. ϕ=2πy/T) is
1T|x{0,1}teix(ϕ2πyT)αx|2
so the expected value of the cost function, assuming a random distribution of the ϕ, is
C¯=12πT02πdϕy{0,1}t|x{0,1}teix(ϕ2πyT)αx|2C(ϕ,2πy/T),
and our task is to select the amplitudes αx that minimise this for any specific realisation of C(ϕ,ϕ). If we make the simplifying assumption that C(ϕ,ϕ) is only a function of ϕϕ, then we can make a change of variable in the integration to give
C¯=12π02πdϕ|x{0,1}teixϕαx|2C(ϕ),
As we noted, the most useful measure is likely to be a fidelity measure. Consider we have a state |+ and we wish to implement the unitary Uϕ=|00|+eiϕ|11|, but instead we implement Uϕ=|00|+eiϕ|11|. The fidelity measures how well this achieves the desired task,
F=|+|UϕU|+|2=cos2(ϕϕ2),
so we take
C(ϕϕ)=sin2(ϕϕ2),
since in the ideal case F=1, so the error, which is what we want to minimise, can be taken as 1F. This will certainly be the correct function for evaluating any Ut, but for the more general task of modifying the amplitudes, not just the phases, the effects of inaccuracies propagate through the protocol in a less trivial manner, so it is difficult to prove optimality, although the function C(ϕϕ) will already provide some improvement over the uniform superposition of states. Proceeding with this form, we have
C¯=12π02πdϕ|x{0,1}teixϕαx|2sin2(12ϕ),
The integral over ϕ can now be performed, so we want to minimise the function
12x,y=0T1αxαy(δx,y12δx,y112δx,y+1).
This can be succinctly expressed as
minΨ0|H|Ψ0
where
H=12x,y=0T1(δx,y12δx,y112δx,y+1)|xy|.
The optimal choice of |Ψ0 is the minimum eigenvector of the matrix H,
αx=2T+1sin((x+1)πT+1),
and C¯ is the minimum eigenvalue
C¯=1212cos(πT+1).
Crucially, for large T, C¯ scales as 1/T2 rather than the 1/T that we would have got from the uniform coupling choice αx=1/T. This yields a significant benefit for the error analysis.

If you want to get the same |Ψ0 as reported in the HHL paper, I believe you have to add the terms 14(|0T1|+|T10|) to the Hamiltonian. I have no justification for doing so, however, but this is probably my failing.

โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.