Simulation variationnelle adaptative pour les systèmes quantiques ouverts

Simulation variationnelle adaptative pour les systèmes quantiques ouverts

Horodatage: 13 février 2024 5:17

Huo Chen, Niladri Gomes, Siyuan Niuet une Wibé Albert de Jong

Division de recherche informatique, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, Californie 94720, États-Unis

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Abstract

Le matériel quantique émergent offre de nouvelles possibilités pour la simulation quantique. Alors qu’une grande partie de la recherche s’est concentrée sur la simulation de systèmes quantiques fermés, les systèmes quantiques du monde réel sont pour la plupart ouverts. Il est donc essentiel de développer des algorithmes quantiques capables de simuler efficacement des systèmes quantiques ouverts. Nous présentons ici un algorithme quantique variationnel adaptatif pour simuler la dynamique des systèmes quantiques ouverts décrite par l’équation de Lindblad. L'algorithme est conçu pour créer une analyse économe en ressources grâce à l'ajout dynamique d'opérateurs tout en maintenant la précision de la simulation. Nous validons l'efficacité de notre algorithme à la fois sur des simulateurs silencieux et sur des processeurs quantiques IBM et observons un bon accord quantitatif et qualitatif avec la solution exacte. Nous étudions également la mise à l'échelle des ressources requises avec la taille et la précision du système et trouvons un comportement polynomial. Nos résultats démontrent que les processeurs quantiques du futur proche seront capables de simuler des systèmes quantiques ouverts.

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Image en vedette : Comment une évolution non unitaire est simulée à l'aide d'un unitaire

Résumé populaire

Les ordinateurs quantiques promettent de pouvoir simuler efficacement d’autres systèmes quantiques, une application critique connue sous le nom de simulation quantique. La simulation quantique n'a pas seulement un intérêt théorique, mais elle est essentielle à de nombreuses applications technologiques, telles que la conception de systèmes quantiques artificiels pour la récupération de la lumière, la détection et le stockage de l'énergie. Cependant, les systèmes quantiques du monde réel interagissent souvent avec leur environnement, transformant le système en ce que l'on appelle un « système quantique ouvert ». Il est donc essentiel de développer des algorithmes quantiques capables de simuler efficacement des systèmes quantiques ouverts.

Dans nos travaux, nous présentons une approche compacte pour simuler la dynamique d'un système quantique ouvert à l'aide d'une méthode variationnelle adaptative dépendant du temps. L'algorithme proposé construit des réponses économes en ressources grâce à l'ajout dynamique d'opérateurs en maintenant la précision de la simulation, offrant ainsi une alternative compatible NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) aux algorithmes existants. Nous avons testé cet algorithme à la fois sur des simulateurs silencieux et sur de véritables processeurs quantiques IBM, et les résultats présentent un bon accord avec les solutions exactes. De plus, nous démontrons que les ressources nécessaires évoluent raisonnablement avec l’augmentation de la taille et de la précision du système.

Nos résultats suggèrent que les processeurs quantiques d’un futur proche seront capables de simuler des systèmes quantiques ouverts. À mesure que le matériel quantique continue de s’améliorer, nous prévoyons que notre algorithme ouvrira de nouvelles voies pour la simulation pratique des systèmes quantiques ouverts à l’ère NISQ.

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