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Enregistrement W7071092133

Quantum Simulation Algorithms with Applications to Quantum Error Correction and Topological Data Analysis

2023· dissertation· en· W7071092133 sur OpenAlexfundno aff

Notice bibliographique

RevueResearchWorks at the University of Washington (University of Washington) · 2023
Typedissertation
Langueen
DomaineMedicine
ThématiquePrenatal Screening and Diagnostics
Établissements canadiensnon disponible
Organismes subventionnairesUniversity of TorontoStrykerUniversity of Washington
Mots-clésQuantum error correctionQuantum algorithmQuantumQuantum phase estimation algorithmQuantum computerError detection and correctionTopology (electrical circuits)Quantum operation
DOInon disponible

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

This thesis presents three results of relevance to the simulation of quantum dynamics on quantum computers. The first is the development of hybridized methods of quantum simulation with Alessandro Roggero and Nathan Wiebe. Conventional methods of quantum simulation, such as qDRIFT, Trotterization, and qubitization, involve trade-offs that limit their applicability to specific contexts where their use is optimal. We develop a framework that allows different simulation methods to be hybridized via the interaction picture and thereby improve performance for interaction picture simulations over known algorithms. These approaches show asymptotic improvements over the individual methods that comprise them and further make interaction picture simulation methods practical in the near term. Physical applications of these hybridized methods yield a gate complexity scaling as $\log^2 \Lambda$ in the electric cutoff $\Lambda$ for the Schwinger model and independent of the electron density for collective neutrino oscillations, outperforming the scaling for all current algorithms with these parameters. For the general problem of Hamiltonian simulation subject to dynamical constraints, these methods yield a query complexity independent of the penalty parameter $\lambda$ used to impose an energy cost on time-evolution into an unphysical subspace. Our second result concerns fault-tolerant error correction procedures developed with Alessandro Roggero and Nathan Wiebe for certain lattice gauge theories (LGTs) with a view towards simulating their dynamics on quantum computers. Quantum simulations of LGTs are often formulated on an enlarged Hilbert space containing both physical and unphysical sectors in order to retain a local Hamiltonian. We provide simple fault-tolerant procedures that exploit such redundancy by combining a phase flip error correction code with the intrinsic Gauss' law gauge symmetry to correct one-qubit errors for a $\mathbb{Z}_2$ or truncated U(1) LGT in 1+1 and 2+1 dimensions with a link flux cutoff of $1$. Unlike existing work on detecting violations of Gauss' law, our circuits are fault tolerant and the overall error correction scheme outperforms a na\"{i}ve application of the $[5,1,3]$ code. The constructions outlined can be extended to LGT systems with larger cutoffs and can be used in understanding how to hybridize error correction and quantum simulation for LGTs in higher space-time dimensions and with different symmetry groups. Lastly, we present a classical randomized algorithm developed with Nathan Wiebe for topological data analysis, the problem of determining the approximate Betti numbers of simplicial complexes constructed from data sets. This problem has attracted considerable interest in recent years due to claims of exponential advantage for this task on quantum computers over classical methods such as Gaussian elimination or the Lanczos algorithm that scale exponentially with the size of the input. Our algorithm demonstrates a partial dequantization of this problem via the classical simulation of the imaginary time-evolution of the combinatorial Laplacian with the path integral Monte Carlo method. We show this algorithm can extract approximate Betti numbers in polynomial time in some of the same regimes where quantum computers were claimed to provide exponential advantage over classical computers. This implies that having exponentially large dimension and Betti number are necessary but not sufficient conditions for super-polynomial advantage on quantum computers.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,002
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,019
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,008
Score d'incertitude au seuil0,026

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0020,019
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0020,002
Études des sciences et des technologies0,0010,002
Communication savante0,0020,003
Science ouverte0,0020,003
Intégrité de la recherche0,0010,003
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0080,002

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,059
Tête enseignante GPT0,324
Écart entre enseignants0,265 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations0
Publié2023
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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