Overhead-beschränktes Schaltungsstricken für Variationsquantendynamik

Neuauflage von Plato

Verfolger: 0

Gian Gentinetta, Friederike Metz und Giuseppe Carleo

Institut für Physik, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Schweiz
Center for Quantum Science and Engineering, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Schweiz

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Abstrakt

Die Simulation der Dynamik großer Quantensysteme ist ein anspruchsvolles und dennoch wichtiges Unterfangen, um ein tieferes Verständnis quantenmechanischer Phänomene zu erlangen. Quantencomputer sind zwar vielversprechend für die Beschleunigung solcher Simulationen, ihre praktische Anwendung wird jedoch weiterhin durch begrenzten Maßstab und allgegenwärtiges Rauschen behindert. In dieser Arbeit schlagen wir einen Ansatz vor, der diese Herausforderungen angeht, indem wir Schaltkreise verwenden, um ein großes Quantensystem in kleinere Subsysteme zu unterteilen, die jeweils auf einem separaten Gerät simuliert werden können. Die Entwicklung des Systems wird durch den Algorithmus der projizierten Variationsquantendynamik (PVQD) gesteuert, ergänzt durch Einschränkungen für die Parameter des Variationsquantenschaltkreises, wodurch sichergestellt wird, dass der durch das Schaltungsstrickschema verursachte Abtastaufwand kontrollierbar bleibt. Wir testen unsere Methode an Quantenspinsystemen mit mehreren schwach verschränkten Blöcken, die jeweils aus stark korrelierten Spins bestehen, wo wir in der Lage sind, die Dynamik genau zu simulieren und gleichzeitig den Probenaufwand überschaubar zu halten. Darüber hinaus zeigen wir, dass die gleiche Methode verwendet werden kann, um die Schaltungstiefe durch das Schneiden weitreichender Gates zu reduzieren.

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Ausgewähltes Bild: Wir entwickeln den Zustand $|psi(varphi_{t-1})rangle$ um einen Zeitschritt $Delta t$ weiter, während wir die Struktur des Ansatzes festhalten. Dies wird erreicht, indem die Variationsparameter $varphi$ so optimiert werden, dass die Genauigkeit zwischen dem entwickelten Zustand $e^{-iHDelta t}|psi(varphi_{t-1})rangle$ und dem Ansatz $|psi(varphi)rangle$ beträgt maximiert wird. Um die Wiedergabetreue der Quantengeräte zu messen, schneiden wir den globalen Quantenschaltkreis mithilfe von Schaltkreisstricken in Teilschaltkreise. Dies geht mit einem Stichprobenaufwand $omega(varphi)$ einher, der von den Variationsparametern abhängt. Um den Overhead zu kontrollieren, projizieren wir die Parameter nach jedem Optimierungsschritt zurück in den Unterraum, wo $omega(varphi) leq tau$ für einen Schwellenwert $tau$ liegt.

Populäre Zusammenfassung

In dieser Arbeit simulieren wir die Echtzeitdynamik von Quanten-Vielteilchensystemen, die aus mehreren schwach korrelierten Subsystemen bestehen, indem wir die Subsysteme auf mehrere Quantengeräte verteilen. Dies wird mit einer als Circuit Knitting bekannten Technik erreicht, die einen globalen Quantenkanal durch eine Quasi-Wahrscheinlichkeitsverteilung in lokal realisierbare Kanäle zerlegt. Auf Kosten eines Mehraufwands bei der Anzahl der Messungen ermöglicht dies die klassische Rekonstruktion der Verflechtung zwischen den verschiedenen Subsystemen. Im Allgemeinen skaliert der Sampling-Overhead exponentiell mit der Simulationszeit, da die Verflechtung zwischen Subsystemen mit der Zeit zunimmt.

Als Hauptbeitrag unserer Arbeit modifizieren wir einen Variations-Quantum-Time-Evolution-Algorithmus (PVQD), indem wir die Variationsparameter auf einen Unterraum beschränken, in dem der erforderliche Abtastaufwand unter einem überschaubaren Schwellenwert bleibt. Wir zeigen, dass wir durch diesen eingeschränkten Optimierungsalgorithmus eine hohe Genauigkeit der zeitlichen Entwicklung von Quantenspinsystemen für realistische Schwellenwerte erreichen. Die Genauigkeit der Simulation kann durch die Abstimmung dieses neuen Hyperparameters gesteuert werden, sodass bei einem festen Budget der gesamten Quantenressourcen optimale Ergebnisse erzielt werden.

► BibTeX-Daten

@article{Gentinetta2024overheadconstrained, doi = {10.22331/q-2024-03-21-1296}, URL = {https://doi.org/10.22331/q-2024-03-21-1296}, title = {Overhead-beschränktes Schaltungsstricken für Variationsquantendynamik}, Autor = {Gentinetta, Gian und Metz, Friederike und Carleo, Giuseppe}, Zeitschrift = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, editor = {{Verein zur F{“{o}}rdung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, Volumen = {8}, Seiten = {1296}, Monat = März, Jahr = {2024} }

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