分子可观测量容错量子计算

在过去三十年中，利用量子计算机估算分子哈密顿量基态能量的成本已大幅降低。然而，相对而言，针对所述基态估算其他可观测量的期望值却很少受到关注，而这许多工业应用而言十分重要。本工作中，我们提出了一种新颖的期望值估算（EVE）量子算法，可用于估算任意可观测量相对于系统任意本征态的期望值。具体而言，我们考虑了EVE的两种变体：基于标准量子相位估计的std-EVE，以及利用量子信号处理（QSP）技术的QSP-EVE。我们对两种变体均提供了严格的误差分析，并最小化了QSP-EVE所需的单个相位因子数量。这些误差分析使我们能够对多种分子系统与可观测量给出std-EVE与QSP-EVE的常数因子量子资源估算。对于所考虑的系统，我们表明与std-EVE相比，QSP-EVE将（Toffoli）门计数降低了至多三个数量级，并将量子比特宽度减少了至多25%。尽管估算的资源数量对于初代容错量子计算机而言仍过高，我们的估算标志着在期望值估算应用与现代基于QSP的技术方面均属首次。