Published January 1, 2021 | Version v1
Publication

Overlapped grouping measurement: A unified framework for measuring quantum states

  • 1. Peking University

Description

Quantum algorithms designed for realistic quantum many-body systems, such as chemistry and materials, usually require a large number of measurements of the Hamiltonian. Exploiting different ideas, such as {importance sampling,} observable compatibility, or classical shadows of quantum states, different advanced measurement schemes have been proposed to greatly reduce the large measurement cost. Yet, the underline cost reduction mechanisms seem distinct from each other, and how to systematically find the optimal scheme remains a critical challenge. Here, we address this challenge by proposing a unified framework of quantum measurements, incorporating advanced measurement methods as special cases. Our framework allows us to introduce a general scheme~ -- ~overlapped grouping measurement, which simultaneously exploits the advantages of most existing methods. An intuitive understanding of the scheme is to partition the measurements into overlapped groups with each one consisting of compatible measurements. We provide explicit grouping strategies and numerically verify its performance for different molecular Hamiltonians with up to 16 qubits. Our numerical result shows significant improvements over existing schemes. Our work paves the way for efficient quantum measurement and fast quantum processing with current and near-term quantum devices.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تتطلب خوارزميات الكم المصممة لأنظمة الأجسام المتعددة الكمومية الواقعية، مثل الكيمياء والمواد، عادةً عددًا كبيرًا من قياسات هاملتوني. باستخدام أفكار مختلفة، مثل {أخذ عينات الأهمية،} التوافق الملحوظ، أو الظلال الكلاسيكية للحالات الكمومية، تم اقتراح مخططات قياس متقدمة مختلفة لتقليل تكلفة القياس الكبيرة بشكل كبير. ومع ذلك، يبدو أن آليات خفض التكاليف ذات الخطوط العريضة متميزة عن بعضها البعض، ولا تزال كيفية العثور بشكل منهجي على المخطط الأمثل تمثل تحديًا بالغ الأهمية. هنا، نتصدى لهذا التحدي من خلال اقتراح إطار موحد للقياسات الكمية، مع دمج طرق القياس المتقدمة كحالات خاصة. يسمح لنا إطارنا بتقديم مخطط عام ~--~ لقياس التجميع المتداخل، والذي يستغل في الوقت نفسه مزايا معظم الطرق الحالية. الفهم البديهي للمخطط هو تقسيم القياسات إلى مجموعات متداخلة مع كل مجموعة تتكون من قياسات متوافقة. نحن نقدم استراتيجيات تجميع واضحة ونتحقق عدديًا من أدائها لمختلف سكان هاميلتون الجزيئيين مع ما يصل إلى 16 كيوبت. تُظهر نتيجتنا العددية تحسينات كبيرة على المخططات الحالية. يمهد عملنا الطريق للقياس الكمومي الفعال والمعالجة الكمومية السريعة باستخدام الأجهزة الكمومية الحالية والقريبة المدى.

Translated Description (French)

Les algorithmes quantiques conçus pour des systèmes quantiques réalistes à plusieurs corps, tels que la chimie et les matériaux, nécessitent généralement un grand nombre de mesures de l'hamiltonien. Exploitant différentes idées, telles que {l'échantillonnage d'importance,} la compatibilité observable ou les ombres classiques des états quantiques, différents schémas de mesure avancés ont été proposés pour réduire considérablement le coût élevé de la mesure. Pourtant, les mécanismes de réduction des coûts soulignés semblent distincts les uns des autres, et la façon de trouver systématiquement le schéma optimal reste un défi crucial. Nous relevons ici ce défi en proposant un cadre unifié de mesures quantiques, intégrant des méthodes de mesure avancées comme cas particuliers. Notre cadre nous permet d'introduire un schéma général ~ -- ~ de mesure de regroupement chevauché, qui exploite simultanément les avantages de la plupart des méthodes existantes. Une compréhension intuitive du schéma consiste à diviser les mesures en groupes qui se chevauchent, chacun étant composé de mesures compatibles. Nous fournissons des stratégies de regroupement explicites et vérifions numériquement ses performances pour différents Hamiltoniens moléculaires jusqu'à 16 qubits. Notre résultat numérique montre des améliorations significatives par rapport aux schémas existants. Notre travail ouvre la voie à une mesure quantique efficace et à un traitement quantique rapide avec des dispositifs quantiques actuels et à court terme.

Translated Description (Spanish)

Los algoritmos cuánticos diseñados para sistemas cuánticos realistas de muchos cuerpos, como la química y los materiales, generalmente requieren una gran cantidad de mediciones del hamiltoniano. Aprovechando diferentes ideas, como la {importancia del muestreo}, la compatibilidad observable o las sombras clásicas de los estados cuánticos, se han propuesto diferentes esquemas de medición avanzados para reducir en gran medida el gran coste de la medición. Sin embargo, los mecanismos de reducción de costos subrayados parecen distintos entre sí, y cómo encontrar sistemáticamente el esquema óptimo sigue siendo un desafío crítico. Aquí, abordamos este desafío proponiendo un marco unificado de mediciones cuánticas, incorporando métodos de medición avanzados como casos especiales. Nuestro marco nos permite introducir un esquema general de medición de agrupaciónsuperpuesta, que explota simultáneamente las ventajas de la mayoría de los métodos existentes. Una comprensión intuitiva del esquema es dividir las mediciones en grupos superpuestos, cada uno de los cuales consiste en mediciones compatibles. Proporcionamos estrategias de agrupación explícitas y verificamos numéricamente su rendimiento para diferentes Hamiltonianos moleculares con hasta 16 qubits. Nuestro resultado numérico muestra mejoras significativas con respecto a los esquemas existentes. Nuestro trabajo allana el camino para la medición cuántica eficiente y el procesamiento cuántico rápido con dispositivos cuánticos actuales y a corto plazo.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
قياس التجميع المتداخل: إطار موحد لقياس الحالات الكمومية
Translated title (French)
Mesure de regroupement par chevauchement : un cadre unifié pour la mesure des états quantiques
Translated title (Spanish)
Medición de agrupación superpuesta: un marco unificado para medir estados cuánticos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3165788868
DOI
10.48550/arxiv.2105.13091

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W2161685427
  • https://openalex.org/W2254754114
  • https://openalex.org/W2257937122
  • https://openalex.org/W2297918601
  • https://openalex.org/W2562526363
  • https://openalex.org/W2755255888
  • https://openalex.org/W2784059933
  • https://openalex.org/W2889126882
  • https://openalex.org/W2898121159
  • https://openalex.org/W2898129650
  • https://openalex.org/W2905003072
  • https://openalex.org/W2907827190
  • https://openalex.org/W2944181875
  • https://openalex.org/W2954292307
  • https://openalex.org/W2954369586
  • https://openalex.org/W2962852083
  • https://openalex.org/W2964421692
  • https://openalex.org/W2965189647
  • https://openalex.org/W2965325670
  • https://openalex.org/W2969454111
  • https://openalex.org/W2972223037
  • https://openalex.org/W2972228381
  • https://openalex.org/W2972442636
  • https://openalex.org/W2972969431
  • https://openalex.org/W2975697068
  • https://openalex.org/W2979788593
  • https://openalex.org/W2989573127
  • https://openalex.org/W3011472404
  • https://openalex.org/W3024350329
  • https://openalex.org/W3037303154
  • https://openalex.org/W3037811760
  • https://openalex.org/W3039469968
  • https://openalex.org/W3040455916
  • https://openalex.org/W3045458491
  • https://openalex.org/W3045606049
  • https://openalex.org/W3048559261
  • https://openalex.org/W3083434555
  • https://openalex.org/W3088989025
  • https://openalex.org/W3097716063
  • https://openalex.org/W3098581063
  • https://openalex.org/W3099200606
  • https://openalex.org/W3100359215
  • https://openalex.org/W3100894865
  • https://openalex.org/W3100951737
  • https://openalex.org/W3101044933
  • https://openalex.org/W3103438630
  • https://openalex.org/W3103650555
  • https://openalex.org/W3103810096
  • https://openalex.org/W3103870741
  • https://openalex.org/W3103872322
  • https://openalex.org/W3104481216
  • https://openalex.org/W3104912341
  • https://openalex.org/W3104941540
  • https://openalex.org/W3104961823
  • https://openalex.org/W3105320508
  • https://openalex.org/W3105532889
  • https://openalex.org/W3105543591
  • https://openalex.org/W3105677655
  • https://openalex.org/W3106047133
  • https://openalex.org/W3108564514
  • https://openalex.org/W3128504623
  • https://openalex.org/W3128557732
  • https://openalex.org/W3134596638
  • https://openalex.org/W3137962867
  • https://openalex.org/W3160385760
  • https://openalex.org/W3160402456
  • https://openalex.org/W3165241722
  • https://openalex.org/W3189250281
  • https://openalex.org/W3201389697