Adaptive Variationssimulation für offene Quantensysteme

Neuauflage von Plato

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Huo Chen, Niladri Gomes, Siyuan Niu und Wibe Albert de Jong

Abteilung für Computerforschung, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, Kalifornien 94720, USA

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Abstrakt

Neue Quantenhardware bietet neue Möglichkeiten für die Quantensimulation. Während sich ein Großteil der Forschung auf die Simulation geschlossener Quantensysteme konzentrierte, sind die realen Quantensysteme größtenteils offen. Daher ist es wichtig, Quantenalgorithmen zu entwickeln, die offene Quantensysteme effektiv simulieren können. Hier präsentieren wir einen adaptiven Variationsquantenalgorithmus zur Simulation der Dynamik offener Quantensysteme, die durch die Lindblad-Gleichung beschrieben wird. Der Algorithmus ist darauf ausgelegt, ressourceneffiziente Ansätze durch die dynamische Addition von Operatoren zu erstellen und dabei die Simulationsgenauigkeit beizubehalten. Wir validieren die Wirksamkeit unseres Algorithmus sowohl auf rauschfreien Simulatoren als auch auf IBM-Quantenprozessoren und beobachten eine gute quantitative und qualitative Übereinstimmung mit der exakten Lösung. Wir untersuchen auch die Skalierung der erforderlichen Ressourcen mit der Systemgröße und -genauigkeit und finden polynomielles Verhalten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Quantenprozessoren der nahen Zukunft in der Lage sind, offene Quantensysteme zu simulieren.

Adaptive Variationssimulation für offene Quantensysteme PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikale Suche. Ai.

Ausgewähltes Bild: Wie eine nicht-einheitliche Entwicklung mithilfe einer Einheit simuliert wird

Populäre Zusammenfassung

Quantencomputer versprechen, andere Quantensysteme effizient simulieren zu können, eine wichtige Anwendung, die als Quantensimulation bekannt ist. Quantensimulation ist nicht nur von theoretischem Interesse, sondern auch für viele technologische Anwendungen von entscheidender Bedeutung, beispielsweise für den Entwurf künstlicher Quantensysteme zur Lichtgewinnung, -messung und -speicherung. Allerdings interagieren reale Quantensysteme häufig mit ihrer Umgebung und verwandeln das System in ein sogenanntes „offenes Quantensystem“. Daher ist es wichtig, Quantenalgorithmen zu entwickeln, die offene Quantensysteme effektiv simulieren können.

In unserer Arbeit präsentieren wir einen kompakten Ansatz zur Simulation der Dynamik offener Quantensysteme mithilfe einer zeitabhängigen adaptiven Variationsmethode. Der vorgeschlagene Algorithmus konstruiert ressourceneffiziente Ansätze durch die dynamische Addition von Operatoren unter Beibehaltung der Simulationsgenauigkeit und bietet NISQ-freundliche (Noisy Intermediate-Scale Quantum) Alternativen zu bestehenden Algorithmen. Wir haben diesen Algorithmus sowohl auf geräuschlosen Simulatoren als auch auf tatsächlichen IBM-Quantenprozessoren getestet und die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den exakten Lösungen. Darüber hinaus zeigen wir, dass die erforderlichen Ressourcen mit zunehmender Systemgröße und -genauigkeit angemessen skalieren.

Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Quantenprozessoren der nahen Zukunft in der Lage sind, offene Quantensysteme zu simulieren. Da sich die Quantenhardware weiter verbessert, gehen wir davon aus, dass unser Algorithmus neue Wege für die praktische Simulation offener Quantensysteme in der NISQ-Ära eröffnen wird.

► BibTeX-Daten

@article{Chen2024adaptivevariational, doi = {10.22331/q-2024-02-13-1252}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2024-02-13-1252}, title = {Adaptive Variational Simulation für offene Quantensysteme}, Autor = {Chen, Huo und Gomes, Niladri und Niu, Siyuan und Jong, Wibe Albert de}, Zeitschrift = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, Herausgeber = {{Verein zur Förderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, Band = {8}, Seiten = {1252}, Monat = Februar, Jahr = {2024} }

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