Transition amplitudes and transition probabilities are relevant to many areas of physics simulation, including the calculation of response properties and correlation functions. These quantities are also closely related to solving linear systems of equations in quantum linear algebra. Here we present three related algorithms for calculating transition probabilities with respect to arbitrary operators and states. First, we extend a previously published short-depth algorithm, allowing for the two input quantum states to be non-orthogonal. The extension comes at the cost of one ancilla qubit and at most only a constant four additional two-qubit gates. Building on this first procedure, we then derive a higher-depth approach based on Trotterization and Richardson extrapolation that requires fewer circuit evaluations. Third, we introduce a tunable approach that in effect interpolates between the low-depth method and the method of fewer circuit evaluations. This tunability between circuit depth and measurement complexity allows the algorithm to be tailored to specific hardware characteristics. Finally, we implement proof-of-principle numerics for toy models in physics and chemistry and for use a subroutine in variational quantum linear solving (VQLS). The primary benefits of our approaches are that (a) arbitrary non-orthogonal states may now be used with negligible increases in quantum resources, (b) we entirely avoid subroutines such as the Hadamard test that may require three-qubit gates to be decomposed, and (c) in some cases fewer quantum circuit evaluations are required as compared to the previous state-of-the-art in NISQ algorithms for transition probabilities.


翻译:过渡振幅和过渡概率与物理模拟的许多领域相关,包括反应属性和关联功能的计算。这些数量也与解决量直线等方的线性系统密切相关。 我们在这里提出了三种相关的算法, 用于计算任意操作者和状态的过渡概率。 首先, 我们扩展了一种先前公布的短深度算法, 允许两个输入量状态的非垂直化。 扩展是以一个正方格的成本为代价, 最多只是一个固定的另外四个二公尺门。 在第一个程序的基础上, 我们然后根据Trotter化和理查森外推法得出一个更深入的方法, 这需要更少的电路评估。 第三, 我们引入了一种可以实际上将低深度方法与较少的电路评估方法相调。 电路深度和测量复杂度之间的这种算法使得算法能够适应具体的硬件特性。 最后, 我们为物理和化学中的玩具模型以及使用亚正方位直径直径直径直径直径直径直径直径直的计算方法。 在变直径直径直线性直径直径直径直径直径直的计算方法中, 我们的亚直径直径直径直径直径直径直径直的算算算算算算算算算算算算算算算算算法的计算法的算法, 。

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