الحل الفعال لمعادلة شرودنغر غير الوحدوية المعتمدة على الزمن على حاسوب كمي ذو إمكانية استيعاب معقدة

الحل الفعال لمعادلة شرودنغر غير الوحدوية المعتمدة على الزمن على حاسوب كمي ذو إمكانية استيعاب معقدة

ماريان مانجين-برينيت1، جينغ تشانغ2، دينيس لاكروا2و إدغار أندريس رويز جوزمان2

1مختبر الفيزياء الباطنية والكونية، CNRS/IN2P3، 38026 غرونوبل، فرنسا
2جامعة باريس ساكلاي، CNRS/IN2P3، IJCLab، 91405 أورساي، فرنسا

تجد هذه الورقة مثيرة للاهتمام أو ترغب في مناقشة؟ Scite أو ترك تعليق على SciRate.

ملخص

نحن نستكشف إمكانية إضافة إمكانات استيعاب معقدة عند الحدود عند حل تطور شرودنغر أحادي البعد في الوقت الفعلي على شبكة باستخدام كمبيوتر كمي مع خوارزمية كمومية كاملة موصوفة في سجل بتات $n$. نظرًا للإمكانات المعقدة، يمزج التطور بين الانتشار في الوقت الحقيقي والخيالي ويمكن استيعاب وظيفة الموجة بشكل مستمر أثناء الانتشار الزمني. نحن نستخدم خوارزمية التمدد الكمومية لمعالجة تطور الزمن التخيلي بالتوازي مع الانتشار في الوقت الحقيقي. تتمتع هذه الطريقة بميزة استخدام كيوبت خزاني واحد فقط في المرة الواحدة، والذي يتم قياسه باحتمال نجاح معين لتنفيذ تطور الزمن التخيلي المطلوب. نقترح وصفة محددة لطريقة التمدد حيث يرتبط احتمال النجاح ارتباطًا مباشرًا بالقاعدة الفيزيائية للحالة الممتصة باستمرار والتي تتطور على الشبكة. نتوقع أن تتمتع الوصفة الطبية المقترحة بميزة الحفاظ على احتمالية عالية للنجاح في معظم المواقف البدنية. يتم إجراء تطبيقات هذه الطريقة على وظائف موجية أحادية البعد تتطور على شبكة. تتوافق النتائج التي تم الحصول عليها على جهاز كمبيوتر كمي مع تلك التي تم الحصول عليها على جهاز كمبيوتر كلاسيكي. وأخيرا نقدم مناقشة مفصلة حول مدى تعقيد تنفيذ مصفوفة التمدد. نظرًا للطبيعة المحلية للإمكانات، بالنسبة للبتات الكمومية $n$، تتطلب مصفوفة التمدد فقط $2^n$ CNOT و$2^n$ دورانًا وحدويًا لكل خطوة زمنية، في حين أنها تتطلب ترتيب $4^{n+ 1}$ بوابات C-NOT لتنفيذها باستخدام أفضل خوارزمية معروفة للمصفوفات الوحدوية العامة.

► بيانات BibTeX

ferences المراجع

[1] A. Smith، M. Kim، F. Pollmann، and J. Knolle، محاكاة ديناميكيات الجسم الكمي على كمبيوتر كمي رقمي حالي، npj Quantum Inf 5, 1 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0217-0

[2] ب. فوسيويه وج.-X. تشو، المحاكاة الكمومية الرقمية لأنظمة العديد من الأجسام الكمومية غير المتوازنة، Quantum Inf. عملية. 20، 138 (2021).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1007 / s11128-021-03079 زي

[3] أ. ماكريدين، وآخرون. الحساب الكمي الرقمي للأنظمة التفاعلية بين الفرميون والبوزون، فيز. القس أ 98، 042312 (2018).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.042312

[4] SP Jordan، KS Lee، and J. Preskill، خوارزميات الكم لنظريات المجال الكمي، العلوم 336، 1130 (2012).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1126 / science.1217069

[5] Z. Meng وY. Yang الحوسبة الكمومية لديناميات الموائع باستخدام معادلة شرودنغر الهيدروديناميكية، أبحاث المراجعة الفيزيائية 5، 033182 (2023).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.5.033182

[6] K. Bharti et al.، خوارزميات الكم المتوسطة الحجم الصاخبة (NISQ)، Rev. Mod. فيز. 94, 015004 (2022).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.94.015004

[7] M. Motta، C. Sun، ATK Tan، MJ O'Rourke، E. Ye، AJ Minnich، FGSL Brandao، وGK-L. تشان، تحديد الحالات الذاتية والحالات الحرارية على جهاز كمبيوتر كمي باستخدام تطور الزمن التخيلي الكمي، Nature Physics 16، 205 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-019-0704-4

[8] S. McArdle، T. Jones، S. Endo، Y. Li، SC Benjamin، and X. Yuan، المحاكاة الكمومية المستندة إلى ansatz لتطور الوقت التخيلي، npj Quantum Information 5 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0187-2

[9] N. جوميز، F. تشانغ، إن إف بيرثوسن، C.-Z. وانغ، K.-M. Ho، PP Orth، and Y. Yao، خوارزمية التطور الزمني التخيلي الكمي المدمج خطوة بخطوة لكيمياء الكم، مجلة النظرية الكيميائية والحساب 16، 6256 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.0c00666

[10] فابيان لانكابيل وأنيكا باندي، خوارزمية الحوسبة الكمومية لديناميات الإلكترون الدقيقة المدفوعة بالليزر في الجزيئات، J. Chem. حساب النظرية. 18، 12، 7082 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1021 / acs.jctc.2c00878

[11] مارسيلو بينيديتي، ماتيا فيورنتيني، ومايكل لوباش، خوارزميات الكم المتغيرة ذات الكفاءة في الأجهزة لتطور الوقت، فيز. القس بحث 3، 033083 (2021).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.033083

[12] شياو يوان، سوجورو إندو، تشي تشاو، يينغ لي، سيمون بنيامين، نظرية محاكاة الكم المتغيرة، الكم 3، 191 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-10-07-191

[13] S. Endo، J. Sun، Y. Li، SC Benjamin، and X. Yuan، المحاكاة الكمومية المتغيرة للعمليات العامة، فيز. القس ليت. 125، 010501 (2020).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.010501

[14] R. Sweke، I. Sinayskiy، D. Bernard، and F. Petruccione، المحاكاة العالمية لأنظمة الكم المفتوحة الماركوفية، فيز. القس أ 91، 062308 (2015).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.91.062308

[15] R. Sweke، M. Sanz، I. Sinayskiy، F. Petruccione، and E. Solano، المحاكاة الكمومية الرقمية لديناميات العديد من الأجسام غير الماركوفية، فيز. القس أ 94، 022317 (2016).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.022317

[16] C. Sparrow، E. Martín-López، N. Maraviglia، A. Neville، C. Harrold، J. Carolan، YN Joglekar، T. Hashimoto، N. Matsuda، JL Obrien، DP Tew، and A. Laing، Simulation the ديناميات الكم الاهتزازية للجزيئات باستخدام الضوئيات، طبيعة 557، 660 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-018-0152-9

[17] Z. Hu، وR. Xia، وS. Kais، خوارزمية كمومية لتطوير ديناميكيات الكم المفتوحة على أجهزة الحوسبة الكمومية، التقارير العلمية 10 (2020).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1038 / s41598-020-60321-X

[18] K. Head-Marsden، S. Krastanov، DA Mazziotti، و P. Narang، التقاط الديناميكيات غير الماركوفية على أجهزة الكمبيوتر الكمومية قريبة المدى، فيز. القس بحث 3، 013182 (2021).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013182

[19] Z. Hu، K. Head-Marsden، DA Mazziotti، P. Narang، and S. Kais، خوارزمية كم عامة لديناميكيات الكم المفتوحة الموضحة مع مجمع Fenna-Matthews-Olson، Quantum 6، 726 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-05-30-726

[20] F. Turro، A. Roggero، V. Amitrano، P. Luchi، KA Wendt، JL Dubois، S. Quaglioni، and F. Pederiva، انتشار الزمن التخيلي على شريحة كمومية، فيز. القس أ 105، 022440 (2022).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.105.022440

[21] ش. Lin، R. Dilip، AG Green، A. Smith، and F. Pollmann، التطور في الوقت الحقيقي والتخيلي مع الدوائر الكمومية المضغوطة، PRX Quantum 2، 010342 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010342

[22] تي ليو، ج.-ج. ليو، وH. فان، البوابة غير الوحدوية الاحتمالية في تطور الوقت الخيالي، Quantum Inf. عملية. 20، 204 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11128-021-03145-6

[23] تايتشي كوسوجي، يوسوكي نيشيا، هيروفومي نيشي، ويو إيشيرو ماتسوشيتا، تطور الزمن الخيالي باستخدام التطور في الوقت الحقيقي إلى الأمام والخلف مع ملحق واحد: خوارزمية eigensolver الأولى لكيمياء الكم، فيز. القس بحث 4، 033121 (2022).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.4.033121

[24] إيه دبليو شليمجن، كادي هيد مارسدن، لي آن إم. ساجر سميث، برينيها نارانج، وديفيد أ. مازيوتي إعداد الحالة الكمومية والتطور غير الوحدوي مع المشغلين القطريين، فيز. القس أ 106، 022414 (2022).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.106.022414

[25] S. Wei، وH. Li، وG. Long، محلل كمي كامل لمحاكاة كيمياء الكم. بحث، 2020، (2020).
https: / / doi.org/ 10.34133 / 2020/1486935

[26] AM Childs and N. Wiebe، المحاكاة الهاملتونية باستخدام مجموعات خطية من العمليات الوحدوية، Quant. المشاة. وشركات. 12، 901 (2012).
الشبكي: / / doi.org/ 10.26421 / QIC12.11-12

[27] بروس م. بوغوصيان، واشنطن تايلور، محاكاة ميكانيكا الكم على كمبيوتر كمي، 30 (1998).

[28] G. Benenti and G. Strini، المحاكاة الكمومية لمعادلة شرودنجر أحادية الجسيم، Am. جي فيز. 76، 657-663 (2008).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1119 / 1.2894532

[29] AM Childs، J. Leng، T. Li، JP Liu، C. Zhang، المحاكاة الكمومية لديناميات الفضاء الحقيقي، Quantum 6، 860 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-11-17-860

[30] D. Neuhauser، M. Baer، معادلة شرودنجر المعتمدة على الوقت: تطبيق شروط الحدود الممتصة، J. Chem. فيز. 90 4351 (1988).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1063 / 1.456646

[31] A. Vibok، B. Balint-Kurti، تحديد إمكانات الامتصاص المعقدة لديناميات الكم المعتمدة على الوقت، J. Phys. الكيمياء. 96، 8712 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1021 / j100201a012

[32] تي سيدمان، دبليو إتش ميلر. احتمالات التفاعل الميكانيكي الكمي عبر حالة حدودية منفصلة ممتصة للتمثيل المتغير وظيفة جرين، J. Chem. فيز. 97، 2499 (1992).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1063 / 1.463088

[33] ارتفاع الأشعة فوق البنفسجية، HD. ماير، حساب طاقات الرنين وعروضه باستخدام طريقة جهد الامتصاص المعقدة، J. Phys. ب 26، 4503 (1993).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0953-4075/​26/​23/​021

[34] M. Mangin-Brinet، J. Carbonell، and C. Gignoux، الشروط الحدودية الدقيقة على مسافة محدودة لمعادلة شرودنجر المعتمدة على الوقت، فيز. القس أ 57، 3245 (1998).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.57.3245

[35] X. Antoine, C. Besse، مخططات التمييز المستقرة دون قيد أو شرط للشروط الحدودية غير العاكسة لمعادلة شرودنغر أحادية البعد، J. Comput. فيز 188، 157 (2003).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0021-9991(03)00159-1

[36] X. أنطوان، أ. أرنولد، سي. بيس، م. إيرهاردت، أ. شادل. مراجعة لتقنيات الشروط الحدودية الشفافة والمصطنعة لمعادلات شرودنجر الخطية وغير الخطية، Commun. com.comput. فيز 4 (729).
https: / / api.semanticscholar.org/ CorpusID: 28831216

[37] هانز هون سانغ تشان وريتشارد مايستر وتايسون جونز وديفيد بي. تيو وسيمون سي. بنجامين، الأساليب المستندة إلى الشبكة لمحاكاة الكيمياء على الكمبيوتر الكمومي، Science Advances 9، eabo7484 (2023).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.abo7484

[38] HF Trotter، حول منتج شبه مجموعات من المشغلين، Proc. أكون. الرياضيات. شركة نفط الجنوب. 10، 545 (1959).
https:/​/​doi.org/​10.1090/​S0002-9939-1959-0108732-6

[39] م. سوزوكي، صيغ تحلل العوامل الأسية والأسس الأسية مع بعض التطبيقات على ميكانيكا الكم والفيزياء الإحصائية، جيه ماث. فيز. (نيويورك) 26، 601 (1985).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1063 / 1.526596

[40] مايكل أ. نيلسن وإسحاق إل تشوانغ. الحساب الكمي والمعلومات الكمومية، مطبعة جامعة كامبريدج، كامبريدج؛ نيويورك، طبعة الذكرى السنوية العاشرة، 10.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976667

[41] T. Ayral، P. Besserve، D. Lacroix and A. Ruiz Guzman، الحوسبة الكمومية مع فيزياء الأجسام المتعددة ومن أجلها، يورو. فيز. ج.أ 59 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1140/​epja/​s10050-023-01141-1

[42] فريق تطوير Qiskit، Qiskit: إطار عمل مفتوح المصدر للحوسبة الكمومية، (2021). كيسكيت: إطار عمل مفتوح المصدر للحوسبة الكمومية، (2021).
https: / / doi.org/ 10.5281 / zenodo.2573505

[43] R. Kosloff وD. Kosloff، الحدود الممتصة لمشاكل انتشار الموجة، J. of Comp. فيز. 63، 363-376 (1986).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0021-9991(86)90199-3

[44] إم دي فيت، ج. فليك، جونيور، أ. ستيجر، حل معادلة شرودنغر بالطريقة الطيفية، J. Comput.Phys. 47، 412 (1982).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0021-9991(82)90091-2

[45] N. Balakrishnan، C. Kalyanaraman، N. Sathyamurthy، نهج ميكانيكا الكم المعتمد على الوقت في التشتت التفاعلي والعمليات ذات الصلة، فيز. النائب 280، 79 (1997).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0370-1573(96)00025-7

[46] AM Krol، K. Mesman، A. Sarkar، M. Moller، Z. Al-Ars، التحلل الفعال للمصفوفات الوحدوية في مجمعات الدوائر الكمومية، Appl. الخيال العلمي. 12، 759 (2022).
https: / / doi.org/ 10.3390 / app12020759

[47] أنتوني دبليو شليمجن، كادي هيد مارسدن، لي آن إم ساجر سميث، برينيها نارانج، وديفيد أ. مازيوتي، إعداد الحالة الكمومية والتطور غير الوحدوي مع العوامل القطرية، فيز. القس أ 106، 022414 (2022).
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.106.022414

[48] V. Shende، S. Bullock، و I. Markov، توليف الدوائر المنطقية الكمومية، IEEE Trans. حساب. بمساعدة ديس. متكامل. نظام الدوائر 25، 1000 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TCAD.2005.855930

[49] RR Tucci مترجم الكم البدائي، الطبعة الثانية، quant-ph/2.
https: / / doi.org/10.48550 / arXiv.quant-ph / 9902062
أرخايف: ضليع في الرياضيات، وعل / 9902062

[50] M. Mottonen et al.، الدوائر الكمومية للبوابات العامة متعددة الكيوبت، فيز. القس ليت. 93، 130502، 2004.
الشبكي: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.93.130502

[51] M. Mottonen وJ. Vartiainen، تحلل البوابات الكمومية العامة، الفصل. 7 في اتجاهات أبحاث الحوسبة الكمومية (NOVA Publishers، New York)، 2006. أرخايف:quant-ph/0504100.
https: / / doi.org/10.48550 / arXiv.quant-ph / 0504100
أرخايف: ضليع في الرياضيات، وعل / 0504100

[52] N. Michel وM. Ploszajczak، نموذج شل جامو: النظرية الموحدة للبنية والتفاعلات النووية، ملاحظات محاضرة في الفيزياء، 983 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-030-69356-5

دليلنا يستخدم من قبل

الطابع الزمني:

اكثر من مجلة الكم