양자 위상 추정 및 HHL 알고리즘-고유 값에 대한 지식이 필요하십니까?


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양자 위상 추정 알고리즘 (QPE)은 양자 게이트의 소정의 고유 벡터에 관련된 고유치의 근사치 계산 .U

공식적으로하자 의 고유 벡터 수 , QPE은 우리가 찾을 수 있습니다 , 최고의 비트 근사 등이 에서 |ψ⟩U|θ~⟩m⌊2mθ⌋θ∈[0,1)

U|ψ⟩=e2πiθ|ψ⟩.

HHL 알고리즘 ( 원본 용지 ) 입력으로 매트릭스 얻어 충족 된 것으로 과 양자 상태 및 계산해 그 코딩하는 선형 시스템의 솔루션 .A

eiAt is unitary 
|b⟩X = B|x⟩Ax=b

말 : 모든 은자 행렬은 의 조건을 안정화시킵니다 .A

이를 위해 HHL 알고리즘은 표시되는 양자 게이트에서 QPE를 사용합니다 . 선형 대수 결과 덕분에 가 의 고유 값 이면 는 의 고유 값임을 알 수 있습니다. 이 결과는 양자 선형 시스템 알고리즘 에도 설명되어 있습니다 : 프라이머 (Dervovic, Herbster, Mountney, Severini, Usher & Wossnig, 2018) (29, 방정식 68과 69 사이).U=eiAt{λj}jA{eiλjt}jU

QPE의 도움 HLL 알고리즘의 제 1 단계는 추정하려고한다 되도록 . 이로 인해 방정식 즉 조건 및 의 영향을 약간 분석하여 , 나는 (즉, )이면 위상 추정 알고리즘이 실패 한다는 결론으로 ​​끝났습니다. 올바른 고유 값을 예측하십시오.θ∈[0,1)ei2πθ=eiλjt

2πθ=λjt+2kπ,k∈Z, θ∈[0,1)
k ∈ Z θ ∈ [ 0 , 1 ) λ j t
θ=λjt2π+k,k∈Z, θ∈[0,1)
k∈Zθ∈[0,1)k≠0λjt2π∉[0,1)k≠0

그러나 는 에르 미트 행렬 일 수 있기 때문에 고유 값을 자유롭게 선택할 수 있으며 특히 QPE가 실패 할 정도로 임의로 대해 큰 고유 값을 선택할 수 있습니다 ( ).A λ j tAAλjt2π∉[0,1)

에서 양자 회로 설계 방정식 (카오, Daskin, 프랭클 & 카이스, 2012)의 선형 시스템을 해결하기위한 그들은 시뮬레이션하여이 문제를 해결 의 고유 것을 알고 있습니다 입니다. 그들은 의 경우를 피하기 위해 행렬과 고유 값을 정규화 했습니다 . A{1,2,4,8}λjteiAt16A{1,2,4,8}λjt2π∉[0,1)

다른 한편으로, 이 정규화를 위해 파라미터 가 사용될 수있는 것처럼 보인다 .t

질문 : 음주 우리가 필요로 a의 고유 값의 상한선 알고 행렬을 정상화하고 있는지 HHL 알고리즘의 QPE 부분이 성공할 것이라고 할 수 있나요? 그렇지 않은 경우 QPE가 성공하도록 어떻게 보장 할 수 (예 : )?λ j tAλjt2π∈[0,1)


이라고합시다 . 람다는 절대 음수가 될 수 없다고 말하는가? 음의 고유 값을 갖는 것이 어떤 문제입니까? 이고 이라고합시다 . 그런 다음 및 입니다. 의 완전히 유효한 값입니다 . 그게 뭐가 문제 야? 가 양수 또는 이어야하는 이유는 무엇 입니까? 고유 값은 음수 일 수 있습니다. t=1k=2t=10<(λ/2π)+2<1−4π<λ<−2πλ=−3πλ/2π0
— user1271772

@ user1271772이 경우 아니요, QPE 는 부과 하기 때문에 는 음수 일 수 없습니다 . 경우 (음수 고유 값과 매트릭스를 연결하기 때문에, 이것은 당연히 가능하다), 다음 QPE의 출력은 표현되지 아니라 와 , 즉 " modulo "와 같이하면 HHL 알고리즘이 실패합니다. λθ∈[0,1)λ<0λλ−2kπk=⌊λ2π⌋λ2π
— Nelimee

답변:


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고유 값 (상한 및 하한)에 대한 경계를 알아야합니다. 당신이 말한 것처럼, 당신은 를 재조정하여 를 정규화 할 수 있습니다 . 실제로, 가능한 가장 정확한 추정값을 얻으려면이 값을 값을 전체 범위로 분산시켜야 합니다. 고유 값의 경계를 정하는 것은 일반적으로 문제가되지 않습니다. 예를 들어, 행렬 가 희소해야하므로 각 행에 0이 아닌 행렬 요소가 너무 많지 않아야합니다. 실제로 문제 스펙은 아마도 행 당 0이 아닌 항목 의 수 과 항목 의 최대 값에 대한 경계를 제공합니다 .t λ t 2 π A N QAtλt2πANQ

그런 다음 Gershgorin의 원 정리와 같은 것을 적용 할 수 있습니다. 이것은 최대 고유 값이 의해 이고 최소값은 의해 하한 의 행렬 요소 .

maxiaii+∑j≠i|aij|≤NQ,
I의 j 개의
miniaii−∑j≠i|aij|≥−NQ.
aijA

, 값 내에서 큰 행렬 ( qubits)에 대해 걱정 하는 경우 행 합계를 계산하기 쉽지만 (항목이 많지 않기 때문에) 모든 행의 최대 값은 오래 걸릴 수 있습니다 ( 행 이 있기 때문에) 시간에 대한 근사치를 구하는 다양한 방법이 있습니다 (예 : 샘플링 또는 문제 구조에 대한 지식 사용). 최악의 경우 Grover의 검색 을 사용 하여 속도를 높일 수 있습니다.Q n 2 nNQn2n


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그로버는 개선되지 않습니다. 알고리즘을 사용할 수 있더라도 쿼리 가 여전히 필요 합니다. 이는 Hcal의 기존 방법에 비해 기하 급수적으로 개선 된 HHL을 없애고 2 차 속도 향상으로 대체합니다. 따라서 남은 유일한 희망은 샘플링 (다른 오류의 원인을 소개 함)이거나기도하여 문제가 상한 / 하한을 추정 할 수 있기를 바랍니다. 알고리즘의 주요 결함 인 것 같습니다. O(N)
— Nelimee

2
물론, 나는 그로버가 최대를 얻는 순진한 방법에 비해 제곱근의 속도 향상을 제공한다는 것을 의미했습니다. 물론 전체 실행 시간에 나쁜 영향을 미칩니다.
— DaftWullie
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