Simulazione quantistica digitale della dinamica non perturbativa di sistemi aperti con polinomi ortogonali

Ripubblicato da Platone

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José D. Guimarães^1,2,3, Mikhail I. Vasilevskiy^3,4,5e Luís S. Barbosa^3,6

¹Centro de Física das Universidades do Minho e do Porto, Braga 4710-057, Portogallo
²Istituto di Fisica Teorica e IQST, Università di Ulm, Albert-Einstein-Allee 11, Ulm 89081, Germania
³Laboratorio Internazionale di Nanotecnologia Iberica, Av. Mestre José Veiga s/n, Braga 4715-330, Portogallo
⁴Laboratório de Física para Materiais e Tecnologias Emergentes (LaPMET), Universidade do Minho, Braga 4710-057, Portogallo
⁵Departamento de Física, Universidade do Minho, Braga 4710-057, Portogallo
⁶INESC TEC, Departamento de Informática, Universidade do Minho, Braga 4710-057, Portogallo

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Astratto

Le simulazioni classiche non perturbative della dinamica dei sistemi quantistici aperti affrontano diversi problemi di scalabilità, vale a dire il ridimensionamento esponenziale dello sforzo computazionale in funzione della durata della simulazione o della dimensione del sistema aperto. In questo lavoro, proponiamo l'uso dell'operatore Time Evolving Density with Orthogonal Polynomials Algorithm (TEDOPA) su un computer quantistico, che chiamiamo Quantum TEDOPA (Q-TEDOPA), per simulare la dinamica non perturbativa di sistemi quantistici aperti accoppiati linearmente ad un ambiente bosonico (bagno fononico continuo). Eseguendo un cambio di base dell'Hamiltoniano, TEDOPA produce una catena di oscillatori armonici con solo interazioni locali del vicino più vicino, rendendo questo algoritmo adatto all'implementazione su dispositivi quantistici con connettività qubit limitata come i processori quantistici superconduttori. Analizziamo in dettaglio l'implementazione del TEDOPA su un dispositivo quantistico e mostriamo che il ridimensionamento esponenziale delle risorse computazionali può essere potenzialmente evitato per le simulazioni di evoluzione temporale dei sistemi considerati in questo lavoro. Abbiamo applicato il metodo proposto alla simulazione del trasporto degli eccitoni tra due molecole che raccolgono la luce nel regime di moderata forza di accoppiamento in un ambiente di oscillatore armonico non markoviano su un dispositivo IBMQ. Le applicazioni del Q-TEDOPA abbracciano problemi che non possono essere risolti mediante tecniche perturbative appartenenti a diversi ambiti, come la dinamica dei sistemi biologici quantistici e i sistemi di materia condensata fortemente correlati.

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Riepilogo popolare

L'articolo introduce l'operatore Quantum Time Evolving Density con l'algoritmo dei polinomi ortogonali (Q-TEDOPA), un adattamento del classico metodo TEDOPA per il calcolo quantistico, in cui vengono simulate le dinamiche non perturbative di sistemi quantistici aperti accoppiati linearmente con ambienti bosonici. Progettato per computer quantistici con connettività qubit limitata, come i processori quantistici superconduttori, Q-TEDOPA richiede solo interazioni locali con il vicino più vicino. Analizziamo la complessità del metodo e suggeriamo che Q-TEDOPA può raggiungere accelerazioni esponenziali rispetto alla sua controparte classica (TEDOPA). Dimostriamo la sua utilità simulando il trasporto degli eccitoni tra molecole che raccolgono la luce su un vero dispositivo IBMQ utilizzando fino a 12 qubit. Q-TEDOPA si dimostra promettente nel migliorare le capacità di simulazione quantistica, fornendo un approccio più efficiente in termini di risorse rispetto al TEDOPA classico.

► dati BibTeX

@article{Guimaraes2024digitalquantum, doi = {10.22331/q-2024-02-05-1242}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2024-02-05-1242}, titolo = {Quanto digitale simulazione della dinamica non perturbativa di sistemi aperti con polinomi ortogonali}, autore = {Guimar{~{a}}es, Jos{'{e}} D. e Vasilevskiy, Mikhail I. e Barbosa, Lu{'{i} }s S.}, rivista = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, editore = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volume = {8 }, pagine = {1242}, mese = febbraio, anno = {2024} }

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[1] José D. Guimarães, James Lim, Mikhail I. Vasilevskiy, Susana F. Huelga e Martin B. Plenio, "Simulazione quantistica digitale assistita dal rumore di sistemi aperti utilizzando la cancellazione probabilistica parziale dell'errore", PRX Quantico 4 4, 040329 (2023).

[2] Jonathon P. Misiewicz e Francesco A. Evangelista, "Implementazione del proiettivo quantistico Eigensolver su un computer quantistico", arXiv: 2310.04520, (2023).

[3] Anthony W. Schlimgen, Kade Head-Marsden, LeeAnn M. Sager-Smith, Prineha Narang e David A. Mazziotti, "Preparazione dello stato quantistico ed evoluzione non unitaria con operatori diagonali", Revisione fisica A 106 2, 022414 (2022).

Le citazioni sopra sono di ANNUNCI SAO / NASA (ultimo aggiornamento riuscito 2024-02-06 02:51:43). L'elenco potrebbe essere incompleto poiché non tutti gli editori forniscono dati di citazione adeguati e completi.

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