مدارهای کوانتومی برای حل نگاشت محلی فرمیون به کیوبیت

مدارهای کوانتومی برای حل نگاشت محلی فرمیون به کیوبیت

گره منبع: 1970708

جانس نایس و جوزپه کارلئو

École Polytechnique Fédérale de Lozanne (EPFL)، موسسه فیزیک، CH-1015 لوزان، سوئیس
مرکز علوم و مهندسی کوانتومی، École Polytechnique Fédérale de Lozanne (EPFL)، CH-1015 لوزان، سوئیس

این مقاله را جالب می دانید یا می خواهید بحث کنید؟ SciRate را ذکر کنید یا در SciRate نظر بدهید.

چکیده

همیلتون های محلی سیستم های فرمیونی روی یک شبکه را می توان بر روی همیلتونی های کیوبیت محلی ترسیم کرد. حفظ موقعیت اپراتورها به قیمت افزایش فضای هیلبرت با درجات آزادی کمکی است. برای بازیابی فضای فیزیکی هیلبرت با ابعاد پایین‌تر که درجات آزادی فرمیونی را نشان می‌دهد، باید مجموعه‌ای از محدودیت‌ها را برآورده کرد. در این کار، مدارهای کوانتومی را معرفی می‌کنیم که دقیقاً این محدودیت‌های سخت را برآورده می‌کنند. ما نشان می‌دهیم که چگونه حفظ موقعیت به فرد اجازه می‌دهد تا یک تکامل زمانی Trotterized را با عمق مدار ثابت در هر مرحله زمانی انجام دهد. ساخت ما به ویژه برای شبیه سازی عملگر تکامل زمانی سیستم های فرمیونی در ابعاد d$gt$1 سودمند است. ما همچنین درباره چگونگی استفاده از این خانواده مدارها به عنوان حالت‌های کوانتومی متغیر بحث می‌کنیم، با تمرکز بر دو رویکرد: رویکرد اول مبتنی بر گیت‌های عدد فرمیون-ثابت عمومی، و رویکرد دوم مبتنی بر ansatz متغیر همیلتونی که در آن حالت‌های ویژه با نشان داده می‌شوند. عملگرهای پارامتری تکامل زمان ما روش‌های خود را برای مسئله یافتن حالت پایه و حالت‌های تکامل‌یافته در زمان مدل $t$-$V$ اعمال می‌کنیم.

► داده های BibTeX

◄ مراجع

[1] پاسکوال جردن و یوجین پل ویگنر. “Über das paulische äquivalenzverbot”. در مجموعه آثار یوجین پل ویگنر. صفحات 109-129. اسپرینگر (1993).
https://doi.org/​10.1007/​BF01331938

[2] کریس کید، لانا مینه، اشلی مونتانارو و استاسیا استانیسیک. "راهبردهای حل مدل فرمی هابارد در کامپیوترهای کوانتومی کوتاه مدت". فیزیک Rev. B 102, 235122 (2020).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevB.102.235122

[3] جیمز دی ویتفیلد، ویتچ هاولیچک و ماتیاس ترویر. "عملگرهای اسپین محلی برای شبیه سازی فرمیون". بررسی فیزیکی A 94, 030301 (2016).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.94.030301

[4] Vojtěch Havlíček، Matthias Troyer، و James D. Whitfield. "محل عملگر در شبیه سازی کوانتومی مدل های فرمیونی". فیزیک Rev. A 95, 032332 (2017).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.95.032332

[5] یان هرمان، جیمز اسپنسر، کنی چو، آنتونیو مزاکاپو، WMC Foulkes، دیوید فاو، جوزپه کارلئو و فرانک نوئه. "شیمی کوانتومی Ab-initio با توابع موج شبکه عصبی" (2022).
arXiv: 2208.12590

[6] T. Hensgens، T. Fujita، L. Janssen، Xiao Li، CJ Van Diepen، C. Reichl، W. Wegscheider، S. Das Sarma، و LMK Vandersypen. "شبیه سازی کوانتومی مدل فرمی هابارد با استفاده از آرایه نقطه کوانتومی نیمه هادی". Nature 548, 70-73 (2017).
https://doi.org/​10.1038/​nature23022

[7] ژیکیائو وانگ، احسان خاتمی، فن فی، جاناتان وایریک، پرادیپ نامبودیری، رنجیت کاشید، آلبرت اف ریگوسی، گارنت برایانت و ریچارد سیلور. "تحقق تجربی یک مدل فرمی هابارد توسعه یافته با استفاده از شبکه دو بعدی از نقاط کوانتومی مبتنی بر ناخالصی". Nature Communications 2, 13 (6824).
https://doi.org/​10.1038/​s41467-022-34220-w

[8] پیتر تی براون، دبایان میترا، المر گواردادو سانچز، رضا نورافکن، الکسیس ریمبو، چارلز-دیوید هبرت، سیمون برگرون، A.-MS Tremblay، Jure Kokalj، David A. Huse، Peter Schauß، و Waseem S. Bakr. انتقال فلز بد در سیستم فرمی هابارد اتم سرد Science 363, 379-382 (2019). arXiv:https:/​/​www.science.org/​doi/​pdf/​10.1126/​science.aat4134.
https://doi.org/​10.1126/​science.aat4134
arXiv: https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/science.aat4134

[9] استاسیا استانیسیچ، یان لوکاس بوسه، فیلیپو ماریا گامبتا، رائول آ. سانتوس، وویچک مرچکیویچ، توماس ای. اوبراین، اریک اوستبی، و اشلی مونتانارو. "مشاهده ویژگی های حالت پایه مدل فرمی هابارد با استفاده از یک الگوریتم مقیاس پذیر در یک کامپیوتر کوانتومی". Nature Communications 13, 5743 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-022-33335-4

[10] فرانک آروت، کونال آریا، رایان بابوش، دیو بیکن، جوزف سی باردین، رامی بارندز، آندریاس بنگتسسون، سرجیو بویکسو، مایکل بروتون، باب بی باکلی، دیوید ای. بوئل، برایان بورکت، نیکلاس بوشنل، یو چن، زیجون چن ، یو-آن چن، بن کیارو، روبرتو کالینز، استیون جی کاتن، ویلیام کورتنی، شان دمورا، آلن درک، اندرو دانسورث، دنیل اپنس، توماس اکل، کاترین اریکسون، ادوارد فرهی، آستین فاولر، بروکس فاکسن، کریگ گیدنی، ماریسا گیستینا، راب گراف، جاناتان آ. گراس، استیو هابگر، متیو پی. هریگان، آلن هو، سابرینا هونگ، ترنت هوانگ، ویلیام هاگینز، لو بی آیوف، سرگئی وی. ایزاکوف، ایوان جفری، ژانگ جیانگ، کودی جونز، دویر کافری، کوستیانتین کچجی، جولیان کلی، سون کیم، پل وی. کلیموف، الکساندر ان. کوروتکوف، فدور کوستریتسا، دیوید لاندهویس، پاول لاپتف، مایک لیندمارک، اریک لوسرو، مایکل مارتالر، اوریون مارتین، جان ام. مارتینیس، آنیکا ماروسچیک ، سم مک آردل، جارود آر. مک کلین، تروور مک کورت، مت مک ایون، آنتونی مگرنت، کارلوس مجوتو-زارا، شیائو می، مسعود محسنی، وویچیک مرچکیویچ، جاش موتوس، اوفر نعمان، متیو نیلی، چارلز نیل، هارتموت نون، مایکل نیومن، مورفی یوژن نیو، توماس ای. اوبراین، اریک اوستبی، بالینت پاتو، آندره پتوخوف، هارالد پوتر کوینتانا، یان مایکل راینر، پدرام روشن، نیکلاس سی روبین، دانیل سانک، کوین جی ساتزینگر، وادیم اسملیانسکی، داگ استرین، کوین جی سانگ، پیتر اشمیتکرت، مارکو سالای، نورم ام. توبمن، آمیت واینسنچر، تئودور وایت ، نیکلاس وگت، زی جیمی یائو، پینگ یه، آدام زالکمن و سباستین زانکر. "مشاهده دینامیک جدا شده بار و اسپین در مدل فرمی هابارد" (2020).

[11] ایان دی کیولیچان، جارود مک‌کلین، ناتان ویبی، کریگ گیدنی، آلان آسپورو-گوزیک، گارنت کین‌لیک چان و رایان بابوش. "شبیه سازی کوانتومی ساختار الکترونیکی با عمق خطی و اتصال". فیزیک کشیش لِت 120, 110501 (2018).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.120.110501

[12] فیلیپ کوربوز، رومان اروس، بلا بائر و گیفره ویدال. "شبیه سازی فرمیون های همبسته قوی در دو بعد فضایی با حالت های جفت درهم تنیده پیش بینی شده فرمیونی". فیزیک Rev. B 81, 165104 (2010).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevB.81.165104

[13] رومن اروس. "شبکه های تانسور برای سیستم های کوانتومی پیچیده". Nature Reviews Physics 1، 538–550 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-019-0086-7

[14] چارلز دربی، جوئل کلاسن، یوهانس باوش و توبی کوبیت. ” نگاشت فرمیون فشرده به کیوبیت ” فیزیک Rev. B 104, 035118 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevB.104.035118

[15] ژانگ جیانگ، امیر کالف، وویچک مرچکیویچ و هارتموت نون. نگاشت بهینه فرمیون به کیوبیت از طریق درختان سه تایی با کاربردهایی برای کاهش یادگیری حالات کوانتومی. Quantum 4, 276 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-06-04-276

[16] سرگئی بی براوی و الکسی یو کیتایف. "محاسبات کوانتومی فرمیونی". Annals of Physics 298, 210-226 (2002).
https://doi.org/​10.1006/​aphy.2002.6254

[17] مارک استودتنر و استفانی ونر. نگاشت فرمیون به کیوبیت با نیازهای منابع مختلف برای شبیه سازی کوانتومی. مجله جدید فیزیک 20, 063010 (2018).
https://doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aac54f

[18] کاناو ستیا، سرگئی براوی، آنتونیو مزاکاپو و جیمز دی ویتفیلد. رمزگذاری های فوق سریع برای شبیه سازی کوانتومی فرمیونی. تحقیقات مروری فیزیکی 1، 033033 (2019).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.1.033033

[19] جان پرسکیل. محاسبات کوانتومی در عصر NISQ و فراتر از آن Quantum 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[20] جاک ووسیک. "نمایشی محلی برای فرمیون ها روی یک شبکه". گزارش فنی. دانشگاه، گروه فیزیک (1981). آدرس اینترنتی: inspirehep.net/​literature/​169185.
https://inspirehep.net/​literature/​169185

[21] توپ آرسی. فرمیون بدون مزارع فرمیونی نامه های بررسی فیزیکی 95، 176407 (2005).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.95.176407

[22] فرانک ورستراته و جی ایگناسیو سیراک. نگاشت همیلتونین های محلی فرمیون ها به هامیلتون های محلی اسپین ها. مجله مکانیک آماری: تئوری و آزمایش 2005، P09012 (2005).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1742-5468/​2005/​09/​P09012

[23] هوی چون پو. "تحول متقارن جردن-ویگنر در ابعاد بالاتر" (2021).

[24] کاناو ستیا و جیمز دی ویتفیلد. "شبیه سازی فوق سریع ساختار الکترونیکی Bravyi-kitaev در یک کامپیوتر کوانتومی". مجله فیزیک شیمیایی 148, 164104 (2018).
https://doi.org/​10.1063/​1.5019371

[25] یو-آن چن، آنتون کاپوستین و جورجه رادیچویچ. "بوزون سازی دقیق در دو بعد فضایی و کلاس جدیدی از نظریه های گیج شبکه". Annals of Physics 393، 234-253 (2018).
https://doi.org/​10.1016/​j.aop.2018.03.024

[26] یو-آن چن و ییجیا شو. "هم ارزی بین نگاشت فرمیون به کیوبیت در دو بعد فضایی" (2022).

[27] Arkadiusz Bochniak و Błażej Ruba. "بوزون سازی بر اساس جبرهای کلیفورد و تفسیر نظری سنج آن". مجله فیزیک انرژی بالا 2020، 1-36 (2020).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevD.102.114502

[28] کانگل لی و هوی چون پو. تبدیل جوردن-ویگنر با ابعاد بالاتر و فرمیون های ماورانا کمکی. فیزیک Rev. B 106, 115109 (2022).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevB.106.115109

[29] یان نس و جوزپه کارلئو "راه حل های متغیر برای نگاشت فرمیون به کیوبیت در دو بعد فضایی". Quantum 6, 833 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-10-13-833

[30] شیائو گانگ ون. "ترتیب های کوانتومی در یک مدل محلول دقیق". نامه های بررسی فیزیکی 90, 016803 (2003).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.90.016803

[31] J. Pablo Bonilla Ataides، David K. Tuckett، Stephen D. Bartlett، Steven T. Flammia و Benjamin J. Brown. ” کد سطح xzzx ” . Nature Communications 12, 2172 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-22274-1

[32] فیلیپو ویسنتینی، دامیان هافمن، آتیلا سابو، دیان وو، کریستوفر راث، کلمنس جولیانی، گابریل پسیا، یاننس، ولادیمیر وارگاس کالدرون، نیکیتا آستراخانتسف و جوزپه کارلئو. "NetKet 3: جعبه ابزار یادگیری ماشین برای سیستم های کوانتومی چند بدنه". SciPost Phys. CodebasesPage 7 (2022).
https://doi.org/​10.21468/​SciPostPhysCodeb.7

[33] Panagiotis Kl. بارکوتسوس، جروم اف. گونتیر، ایگور سوکولوف، نیکولای مول، جیان سالیس، آندریاس فوهرر، مارک گانژورن، دانیل جی اگر، ماتیاس ترویر، آنتونیو مزاکاپو، استفان فیلیپ و ایوانو تاورنلی. الگوریتم‌های کوانتومی برای محاسبات ساختار الکترونیکی: انبساط هامیلتونی حفره ذره و بهینه‌سازی تابع موج فیزیک Rev. A 98, 022322 (2018).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.98.022322

[34] برایان تی گارد، لینگهوا ژو، جورج اس. بارون، نیکلاس جی. میهال، سوفیا ای. اکونومو، و ادوین بارنز. مدارهای آماده سازی حالت با حفظ تقارن کارآمد برای الگوریتم حل ویژه کوانتومی متغیر. npj Quantum Information 6، 10 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0240-1

[35] دیو وکر، متیو بی. هستینگز و ماتیاس ترویر. "پیشرفت به سمت الگوریتم های تغییرات کوانتومی عملی". فیزیک Rev. A 92, 042303 (2015).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.92.042303

[36] M. Ganzhorn، DJ Egger، P. Barkoutsos، P. Ollitrault، G. Salis، N. Moll، M. Roth، A. Fuhrer، P. Mueller، S. Woerner، I. Tavernelli، و S. Filipp. "شبیه سازی کارآمد دریچه حالت های ویژه مولکولی در یک کامپیوتر کوانتومی". فیزیک Rev. Appl. 11, 044092 (2019).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevApplied.11.044092

[37] PJJ O'Malley، R. Babbush، ID Kivlichan، J. Romero، JR McClean، R. Barends، J. Kelly، P. Roushan، A. Tranter، N. Ding، B. Campbell، Y. Chen، Z. Chen ، بی. کیارو، آ. دانسورث، ای‌جی فاولر، ای. جفری، ای. لوسرو، ای. مگرنت، جی وای موتوس، ام. نیلی، سی. نیل، سی. کوئینتانا، دی. سانک، آ. واینسنچر، جی. ونر TC White، PV Coveney، PJ Love، H. Neven، A. Aspuru-Guzik، و JM Martinis. "شبیه سازی کوانتومی مقیاس پذیر انرژی های مولکولی". فیزیک Rev. X 6, 031007 (2016).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevX.6.031007

[38] ژانگ جیانگ، کوین جی. سونگ، کوستیانتین کچججی، وادیم ن. اسملیانسکی و سرجیو بویکسو. الگوریتم‌های کوانتومی برای شبیه‌سازی فیزیک بدنه‌ای فرمیون‌های همبسته. فیزیک Rev. Appl. 9, 044036 (2018).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevApplied.9.044036

[39] لورا کلینتون، یوهانس باوش و توبی کوبیت. الگوریتم های شبیه سازی همیلتونی برای سخت افزار کوانتومی کوتاه مدت Nature Communications 12, 4989 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-25196-0

[40] ویلیام جی. هاگینز، جارود آر. مک کلین، نیکلاس سی. روبین، ژانگ جیانگ، ناتان ویبه، کی بیرگیتا ویلی و رایان بابوش. اندازه گیری های کارآمد و مقاوم به نویز برای شیمی کوانتومی در رایانه های کوانتومی کوتاه مدت. npj Quantum Information 7، 23 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-00341-7

[41] اوفلیا کرافورد، بارنابی ون استراتن، داوچن وانگ، توماس پارکس، ارل کمپبل و استفان بریرلی. "اندازه گیری کوانتومی کارآمد عملگرهای پائولی در حضور خطای نمونه محدود". Quantum 5, 385 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385

[42] پراناو گوخال، اولیویا آنگیولی، یونگشان دینگ، کایون گی، تیگ تومش، مارتین سوچارا، مارگارت مارتونوسی، و فردریک تی چونگ. "هزینه اندازه گیری $O(N^3)$ برای حل ویژه کوانتومی متغیر در هامیلتونین های مولکولی". معاملات IEEE در مهندسی کوانتومی 1، 1-24 (2020).
https://doi.org/​10.1109/​TQE.2020.3035814

[43] آرتور اف ایزمایلوف، تزو چینگ ین و ایلیا جی ریابینکین. "بازنگری در فرآیند اندازه گیری در حل ویژه کوانتومی متغیر: آیا امکان کاهش تعداد عملگرهای اندازه گیری جداگانه وجود دارد؟" علوم شیمی 10، 3746-3755 (2019).
https://doi.org/​10.1039/​C8SC05592K

[44] پراناو گوخال، اولیویا آنگیولی، یونگشان دینگ، کایون گی، تیگ تومش، مارتین سوچارا، مارگارت مارتونوسی، و فردریک تی چونگ. "به حداقل رساندن آماده سازی حالت در حل ویژه کوانتومی متغیر با تقسیم به خانواده های رفت و آمد" (2019).

[45] ژنیو کای. "تخمین منابع برای شبیه سازی تغییرات کوانتومی مدل هابارد". فیزیک Rev. Appl. 14, 014059 (2020).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevApplied.14.014059

[46] دیوید بی کاپلان و جسی آر استرایکر. قانون گاوس، دوگانگی و فرمول هامیلتونی نظریه گیج شبکه u(1). فیزیک Rev. D 102, 094515 (2020).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevD.102.094515

[47] جولیا ماتزولا، سیمون وی. ماتیس، گوگلیلمو مازولا، و ایوانو تاورنلی. مدارهای کوانتومی نامتغیر سنج برای $u$(1) و نظریه های گیج شبکه یانگ-میلز". فیزیک Rev. Res. 3, 043209 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.3.043209

[48] تاتیانا A. Bespalova و Oleksandr Kyriienko. "شبیه سازی کوانتومی و آماده سازی حالت پایه برای مدل کیتایف لانه زنبوری" (2021).

[49] ویل برگهولم، جاش ایزاک، ماریا شولد، کریستین گوگولین، شهنواز احمد، ویشنو آجیت، ام. صهیب علم، گیرمو آلونسو-لیناژه، بی. آکاش نارایانان، علی اسدی، خوان میگل آرازولا، اوتکارش آزاد، سام بنینگ، کارستن بلنک، توماس آر. بروملی، بنجامین آ. کوردیه، جک سرونی، آلن دلگادو، اولیویا دی ماتئو، امینتور دوسکو، تانیا گارگ، دیگو گوالا، آنتونی هیز، رایان هیل، آروسا ایجاز، تئودور ایساکسون، دیوید ایتا، سوران جهانگیری، پراتیک جین، ادوارد جیانگ، آنکیت خاندلوال، کوربینیان کاتمن، رابرت آ. لانگ، کریستینا لی، توماس لوک، آنگوس لو، کری مک کیرنان، یوهانس یاکوب مایر، جی مونتانز-باررا، رومین مویارد، زیو نیو، لی جیمز اوریوردان، استیون عود، آشیش پانیگراهی پارک چای یون، دانیل پولاتایکو، نیکلاس کوسادا، چیس رابرتز، ناهوم سا، ایسیدور شوچ، بورون شی، شولی شو، سوکین سیم، آرشپریت سینگ، اینگرید استرندبرگ، جی سونی، آنتال سزاوا، اسلیمان تابت، رودریگو آ. وارگاس-اچ ترور وینسنت، نیکولا ویتوچی، موریس وبر، دیوید ویریکس، رولند وییر سما، موریتز ویلمان، وینسنت وانگ، شاومینگ ژانگ و ناتان کیلوران. "Pennylane: تمایز خودکار محاسبات کوانتومی-کلاسیک ترکیبی" (2018).

ذکر شده توسط

[1] لیوبوف آ. مارکوویچ، عطاالله الماسی، سینا زیتین اوغلو، و یوهانس بورگارد، "تخمین قابل مشاهده به کمک حافظه کوانتومی"، arXiv: 2212.07710, (2022).

نقل قول های بالا از SAO/NASA Ads (آخرین به روز رسانی با موفقیت 2023-02-21 17:19:13). فهرست ممکن است ناقص باشد زیرا همه ناشران داده های استنادی مناسب و کاملی را ارائه نمی دهند.

واکشی نشد داده های استناد شده متقاطع در آخرین تلاش 2023-02-21 17:19:10: داده های استناد شده برای 10.22331/q-2023-02-21-930 از Crossref دریافت نشد. اگر DOI اخیراً ثبت شده باشد، طبیعی است.

تمبر زمان:

بیشتر از مجله کوانتومی