Papers
Topics
Authors
Recent
2000 character limit reached

A Simple and Efficient Joint Measurement Strategy for Estimating Fermionic Observables and Hamiltonians

Published 29 Feb 2024 in quant-ph, math-ph, and math.MP | (2402.19230v2)

Abstract: We propose a simple scheme to estimate fermionic observables and Hamiltonians relevant in quantum chemistry and correlated fermionic systems. Our approach is based on implementing a measurement that jointly measures noisy versions of any product of two or four Majorana operators in an $N$ mode fermionic system. To realize our measurement we use: (i) a randomization over a set of unitaries that realize products of Majorana fermion operators; (ii) a unitary, sampled at random from a constant-size set of suitably chosen fermionic Gaussian unitaries; (iii) a measurement of fermionic occupation numbers; (iv) suitable post-processing. Our scheme can estimate expectation values of all quadratic and quartic Majorana monomials to $\epsilon$ precision using $\mathcal{O}(N \log(N)/\epsilon2)$ and $\mathcal{O}(N2 \log(N)/\epsilon2)$ measurement rounds respectively, matching the performance offered by fermionic shadow tomography. In certain settings, such as a rectangular lattice of qubits which encode an $N$ mode fermionic system via the Jordan-Wigner transformation, our scheme can be implemented in circuit depth $\mathcal{O}(N{1/2})$ with $\mathcal{O}(N{3/2})$ two-qubit gates, offering an improvement over fermionic and matchgate classical shadows that require depth $\mathcal{O}(N)$ and $\mathcal{O}(N2)$ two-qubit gates. By benchmarking our method on exemplary molecular Hamiltonians and observing performances comparable to fermionic classical shadows, we demonstrate a novel, competitive alternative to existing strategies.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (31)
  1. A. Zhao, N. C. Rubin, and A. Miyake, Phys. Rev. Lett. 127, 0110504 (2021).
  2. J. Preskill, Quantum 2, 79 (2018).
  3. G. Gidofalvi and D. A. Mazziotti, J. Chem. Phys. 126, 024105 (2007).
  4. A. Jena, S. Genin, and M. Mosca, arXiv preprint arXiv:1907.07859  (2019).
  5. T. C. Yen, V. Verteletskyi, and A. F. Izmaylov, J. Chem. Theory Comput. 16, 2400 (2020).
  6. V. Verteletskyi, T. C. Yen, and A. F. Izmaylov, J. Chem. Phys. 152, 124114 (2020).
  7. X. Bonet-Monroig, R. Babbush, and T. E. O’Brien, Phys. Rev. X 10, 031064 (2020).
  8. H. Y. Huang, R. Kueng, and J. Preskill, Nat. Phys. 16, 1050 (2020).
  9. H.-Y. Hu, S. Choi, and Y.-Z. You, Phys. Rev. Res. 5, 023027 (2023).
  10. G. H. Low, arXiv preprint arXiv:2208.08964  (2022).
  11. B. O’Gorman, arXiv preprint arXiv:2207.14787  (2022).
  12. D. McNulty, F. B. Maciejewski, and M. Oszmaniec, Phys. Rev. Lett. 130, 100801 (2023).
  13. T. Heinosaari, D. Reitzner, and P. Stano, Found. Phys. 38, 1133 (2008).
  14. T. Heinosaari, J. Kiukas, and D. Reitzner, Phys. Rev. A 92, 022115 (2015).
  15. D. McNulty, S. Calegari, and M. Oszmaniec, Optimal Fermionic Joint Measurements for Estimating Non-Commuting Majorana Observables  (2024).
  16. S. Bravyi, B. M. Terhal, and B. Leemhuis, New J. Phys. 12, 083039 (2010).
  17. B. M. Terhal and D. P. DiVincenzo, Phys. Rev. A 65, 032325 (2002).
  18. S. B. Bravyi and A. Y. Kitaev, Ann. Phys. 298, 210 (2002).
  19. R. Jozsa and A. Miyake, Proc. R. Soc. A: Math. Phys. Eng. Sci. 464, 3089 (2008).
  20. P. Jordan and E. P. Wigner, Über das paulische Ă€quivalenzverbot (Springer, 1993).
  21. W. Hoeffding, J. Am. Stat. Assoc. 58, 13 (1963).
  22. P. Jaming and M. Matolcsi, Acta Math. Hungarica 147, 179 (2015).
  23. J. T. Seeley, M. J. Richard, and P. J. Love, J. Chem. Phys. 137 (2012).
  24. M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information (Cambridge University Press, 2000).
  25. A. Gresch and M. Kliesch, arXiv preprint arXiv:2301.03385  (2023).
  26. S. Bravyi and R. König, Comm. Math. Phys. 316, 641 (2012).
  27. F. d. Melo, P. ĆwikliƄski, and B. M. Terhal, New J. Phys. 15, 013015 (2013).
  28. J. L. Bosse, Floyao (2022).
  29. J. R. McClean et al., Quantum Science and Technology 5, 034014 (2020).
  30. Qiskit contributors, Qiskit: An open-source framework for quantum computing (2023).
  31. T. Banica, I. Nechita, and K. ƻyczkowski, Open Syst. Inf. Dyn. 19, 1250024 (2012).
Citations (2)

Summary

Paper to Video (Beta)

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Tweets

Sign up for free to view the 4 tweets with 28 likes about this paper.