Simulación cuántica digital de dinámica no perturbativa de sistemas abiertos con polinomios ortogonales

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José D. Guimarães^1,2,3, Mijail I. Vasilevskiy^3,4,5y Luis S. Barbosa^3,6

¹Centro de Física de las Universidades do Minho e do Porto, Braga 4710-057, Portugal
²Instituto de Física Teórica e IQST, Universidad de Ulm, Albert-Einstein-Allee 11, Ulm 89081, Alemania
³Laboratorio Ibérico Internacional de Nanotecnología, Av. Mestre José Veiga s/n, Braga 4715-330, Portugal
⁴Laboratório de Física para Materiais e Tecnologias Emergentes (LaPMET), Universidade do Minho, Braga 4710-057, Portugal
⁵Departamento de Física, Universidade do Minho, Braga 4710-057, Portugal
⁶INESC TEC, Departamento de Informática, Universidade do Minho, Braga 4710-057, Portugal

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Resumen

Las simulaciones clásicas no perturbativas de la dinámica de los sistemas cuánticos abiertos enfrentan varios problemas de escalabilidad, a saber, el escalamiento exponencial del esfuerzo computacional en función de la duración de la simulación o del tamaño del sistema abierto. En este trabajo, proponemos el uso del operador de densidad evolutiva en el tiempo con algoritmo de polinomios ortogonales (TEDOPA) en una computadora cuántica, al que denominamos Quantum TEDOPA (Q-TEDOPA), para simular dinámicas no perturbativas de sistemas cuánticos abiertos acoplados linealmente. a un ambiente bosónico (baño de fonones continuo). Al realizar un cambio de base del hamiltoniano, TEDOPA produce una cadena de osciladores armónicos con solo interacciones locales con el vecino más cercano, lo que hace que este algoritmo sea adecuado para su implementación en dispositivos cuánticos con conectividad de qubit limitada, como los procesadores cuánticos superconductores. Analizamos en detalle la implementación de TEDOPA en un dispositivo cuántico y mostramos que los escalamientos exponenciales de los recursos computacionales pueden potencialmente evitarse para simulaciones de evolución temporal de los sistemas considerados en este trabajo. Aplicamos el método propuesto a la simulación del transporte de excitones entre dos moléculas captadoras de luz en el régimen de fuerza de acoplamiento moderada a un entorno de oscilador armónico no markoviano en un dispositivo IBMQ. Las aplicaciones de Q-TEDOPA abarcan problemas que no pueden resolverse mediante técnicas de perturbación pertenecientes a diferentes áreas, como la dinámica de sistemas biológicos cuánticos y sistemas de materia condensada fuertemente correlacionados.

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Resumen popular

El artículo presenta el operador de densidad en evolución del tiempo cuántico con algoritmo de polinomios ortogonales (Q-TEDOPA), una adaptación del método TEDOPA clásico para la computación cuántica, donde se simula la dinámica no perturbativa de sistemas cuánticos abiertos acoplados linealmente con entornos bosónicos. Diseñado para computadoras cuánticas con conectividad qubit restringida, como procesadores cuánticos superconductores, Q-TEDOPA solo requiere interacciones locales con el vecino más cercano. Analizamos la complejidad del método y sugerimos que Q-TEDOPA puede lograr aceleraciones exponenciales en relación con su contraparte clásica (TEDOPA). Demostramos su utilidad simulando el transporte de excitones entre moléculas captadoras de luz en un dispositivo IBMQ real utilizando hasta 12 qubits. Q-TEDOPA se muestra prometedor a la hora de mejorar las capacidades de simulación cuántica, proporcionando un enfoque más eficiente en el uso de recursos en comparación con el TEDOPA clásico.

► datos BibTeX

@artículo{Guimaraes2024digitalquantum, doi = {10.22331/q-2024-02-05-1242}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2024-02-05-1242}, título = {Cuanto digital simulación de dinámica no perturbativa de sistemas abiertos con polinomios ortogonales}, autor = {Guimar{~{a}}es, Jos{'{e}} D. y Vasilevskiy, Mikhail I. y Barbosa, Lu{'{i} }s S.}, revista = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, editor = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volumen = {8 }, páginas = {1242}, mes = febrero, año = {2024} }

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Citado por

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[3] Anthony W. Schlimgen, Kade Head-Marsden, LeeAnn M. Sager-Smith, Prineha Narang y David A. Mazziotti, “Preparación del estado cuántico y evolución no unitaria con operadores diagonales”, Revisión física A 106 2, 022414 (2022).

Las citas anteriores son de ANUNCIOS SAO / NASA (última actualización exitosa 2024-02-06 02:51:43). La lista puede estar incompleta ya que no todos los editores proporcionan datos de citas adecuados y completos.

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