Ansätze for noisy variational quantum Eigensolvers

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Alves, Mafalda Francisco Ramôa da Costa
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1822/81528
Resumo: Dissertação de mestrado em Engenharia Física
id RCAP_bb8c56ce07aff3e51ebcccb472746ec8
oai_identifier_str oai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/81528
network_acronym_str RCAP
network_name_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository_id_str 7160
spelling Ansätze for noisy variational quantum EigensolversAnsätze para Eigensolvers variacionais quânticos ruidososAdaptive ansätzeQuantum chemistryQuantum computingVariational quantum algorithmsVariational quantum eigensolverAlgoritmos variacionais quânticosAnsätze adaptativosComputação quânticaEigensolver variacional quânticoQuímica quânticaDissertação de mestrado em Engenharia FísicaSimulating quantum mechanical systems is one of the main applications envisioned for quantum com puters. In contrast with the first algorithms created for this purpose, that were devised to be implemented in a fault-tolerant quantum computer, the Variational Quantum Eigensolver (VQE) aims to adjust to the con straints of Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) devices. There is hope that the class of Variational Quantum Algorithms (VQAs), to which VQE belongs, will be the first to achieve quantum advantage. The choice of ansatz can dictate the success (or lack thereof) of a VQA: too deep ansätze can hinder near-term viability, or lead to trainability issues that render the algorithm inefficient. In this context, this dissertation aimed to analyse different ansätze for quantum chemistry, examining their noise-resilience and viability in state-of-the-art quantum computers. In particular, dynamic ansätze were explored, and their performance compared against predetermined ansätze, with a focus on susceptibility to noise. Multiple variants of VQE, namely Unitary Coupled Cluster Singles and Doubles (UCCSD)-VQE (prede termined) and Adaptive Derivative-Assembled Pseudo-Trotter (ADAPT)-VQE (dynamic), were implemented both in simulators and cloud quantum computers. Using noise models, the impact of several noise sources on convergence was assessed. Additionally, the importance of the operator pool in ADAPT-VQE was anal ysed, and strategies to manipulate the ansatz beyond the ADAPT-VQE algorithm were explored. Several conclusions could be drawn from this work. Adapting the ansatz to the problem and system was concluded to be fundamental in avoiding trainability issues, decreasing the circuit depth required for a given accuracy, and improving noise-resilience (against circuit depth dependent and independent sources alike). Dynamic ansätze were shown to be capable of enduring significantly larger error rates than predetermined alternatives, and were thus proved to be better suited for NISQ devices. For 2, as far as ground state energy calculations are concerned, ADAPT-VQE was shown to tolerate a 20 times lower shot count, 150 times larger error rates in state preparations and measurements, and 850 times lower coherence times than UCCSD-VQE. The difference is expected to increase with the size of the system. Additionally, it was observed that there is still a margin for improving upon ADAPT-VQE. Further manip ulation of the ansatz was shown to be capable of producing yet shallower circuits for the same accuracy. Using an idea previously proposed in the literature, a more conservative selection criterion was tested. Additionally, removing operators on the fly based on available data was attempted as a new possibility. Both approaches were shown to be capable of improving upon the ADAPT-VQE ansatz, resulting in an up to 35-fold decrease in the error for a similar circuit depth within the first 10 iterations of ADAPT-VQE.Simular sistemas quânticos é uma das mais relevantes potenciais aplicações dos computadores quân ticos. Os primeiros algoritmos criados para tal visam implementação em computadores quânticos toleran tes a falhas; em contraste, o Eigensolver Variacional Quântico (VQE) procura adaptar-se às limitações dos dispositivos quânticos ruidosos de escala intermédia (NISQ). Há esperança que a classe de algoritmos variacionais quânticos (VQAs), à qual o VQE pertence, seja a primeira a alcançar a vantagem quântica. O ansatz pode ditar o sucesso (ou falta de) de um VQA: a sua profundidade pode impedir a viabilidade a curto prazo, ou conduzir a problemas de treinabilidade que levam à ineficiência. Neste contexto, esta dissertação pretendeu analisar diferentes ansätze para química quântica, examinando a sua resiliência ao ruído e viabilidade em dispositivos contemporâneos. Em particular, exploraram-se ansätze dinâmicos, cujo desempenho se comparou ao de ansätze predeterminados com foco na suscetibilidade ao ruído. Diferentes variantes do VQE, nomeadamente UCCSD-VQE (predeterminado) e ADAPT-VQE (dinâmico), foram implementadas em simuladores e em computadores quânticos. Com recurso a modelos de ruído, o impacto de diversas fontes de ruído na convergência foi analisado. Inspecionou-se a importância do conjunto de operadores no ADAPT-VQE, e exploraram-se estratégias adicionais para manipular o ansatz. Várias conclusões puderam ser retiradas deste projeto. Concluiu-se que adaptar o ansatz ao problema e ao sistema é fundamental para evitar problemas de treinabilidade, diminuir a profundidade dos circuitos, e melhorar a resiliência ao ruído (seja a fonte dependente da profundidade do circuito ou não). Mostrou se que ansätze dinâmicos toleram taxas de erro superiores aos predeterminados, sendo portanto mais adequados para dispositivos NISQ. Quanto aos cálculos da energia do estado fundamental, mostrou-se que, para a molécula 2, o ADAPT-VQE tolera um número de repetições do circuito 20 vezes inferior, taxas de erro na preparação e medição de estados 150 vezes superiores, e tempos de coerência 850 vezes inferiores do que o UCCSD-VQE. É expectável que a diferença aumente com o tamanho do sistema. Adicionalmente, observou-se que há ainda uma margem para melhorar além do ADAPT-VQE. Mostrou se que outras formas de manipulação do ansatz são capazes de produzir circuitos ainda menos profundos para uma mesma precisão. Usando uma ideia previamente sugerida na literatura, tentou-se usar um crité rio de seleção mais conservador. Alternativamente, remover operadores com base em dados disponíveis ao longo da execução foi testado como uma nova possibilidade. Mostrou-se que ambas as estratégias são capazes de superar o ansatz criado seguindo o protocolo do ADAPT-VQE, resultando num erro até 35 vezes menor para profundidades de circuito comparáveis dentro de 10 iterações do ADAPT-VQE.Galvão, ErnestoVasilevskiy, MikhailUniversidade do MinhoAlves, Mafalda Francisco Ramôa da Costa2021-12-162021-12-16T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/81528eng202976351info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-21T12:11:48Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/81528Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T19:03:37.472604Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
dc.title.none.fl_str_mv Ansätze for noisy variational quantum Eigensolvers
Ansätze para Eigensolvers variacionais quânticos ruidosos
title Ansätze for noisy variational quantum Eigensolvers
spellingShingle Ansätze for noisy variational quantum Eigensolvers
Alves, Mafalda Francisco Ramôa da Costa
Adaptive ansätze
Quantum chemistry
Quantum computing
Variational quantum algorithms
Variational quantum eigensolver
Algoritmos variacionais quânticos
Ansätze adaptativos
Computação quântica
Eigensolver variacional quântico
Química quântica
title_short Ansätze for noisy variational quantum Eigensolvers
title_full Ansätze for noisy variational quantum Eigensolvers
title_fullStr Ansätze for noisy variational quantum Eigensolvers
title_full_unstemmed Ansätze for noisy variational quantum Eigensolvers
title_sort Ansätze for noisy variational quantum Eigensolvers
author Alves, Mafalda Francisco Ramôa da Costa
author_facet Alves, Mafalda Francisco Ramôa da Costa
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Galvão, Ernesto
Vasilevskiy, Mikhail
Universidade do Minho
dc.contributor.author.fl_str_mv Alves, Mafalda Francisco Ramôa da Costa
dc.subject.por.fl_str_mv Adaptive ansätze
Quantum chemistry
Quantum computing
Variational quantum algorithms
Variational quantum eigensolver
Algoritmos variacionais quânticos
Ansätze adaptativos
Computação quântica
Eigensolver variacional quântico
Química quântica
topic Adaptive ansätze
Quantum chemistry
Quantum computing
Variational quantum algorithms
Variational quantum eigensolver
Algoritmos variacionais quânticos
Ansätze adaptativos
Computação quântica
Eigensolver variacional quântico
Química quântica
description Dissertação de mestrado em Engenharia Física
publishDate 2021
dc.date.none.fl_str_mv 2021-12-16
2021-12-16T00:00:00Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://hdl.handle.net/1822/81528
url https://hdl.handle.net/1822/81528
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.relation.none.fl_str_mv 202976351
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron:RCAAP
instname_str Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron_str RCAAP
institution RCAAP
reponame_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
collection Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository.name.fl_str_mv Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1799132443130724352

Registros relacionados