オープン量子システムの適応変分シミュレーション

オープン量子システムの適応変分シミュレーション

フオ・チェン, ニラドリ・ゴメス, 牛源牛, ワイブ・アルバート・デ・ヨング

計算研究部門、ローレンス バークレー国立研究所、バークレー、カリフォルニア 94720、米国

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抽象

新しい量子ハードウェアは、量子シミュレーションに新たな可能性をもたらします。研究の多くは閉じた量子システムのシミュレーションに焦点を当てていますが、現実世界の量子システムはほとんどがオープンです。したがって、オープン量子システムを効果的にシミュレートできる量子アルゴリズムを開発することが不可欠です。ここでは、リンドブラッド方程式で記述される開いた量子システムのダイナミクスをシミュレートするための適応変分量子アルゴリズムを紹介します。このアルゴリズムは、シミュレーションの精度を維持し、オペレーターを動的に追加することでリソース効率の高い分析を構築するように設計されています。私たちは、ノイズレス シミュレーターと IBM 量子プロセッサの両方でアルゴリズムの有効性を検証し、正確なソリューションと定量的および定性的に良好な一致を観察しました。また、システムのサイズと精度に応じて必要なリソースのスケーリングを調査し、多項式の動作を見つけます。私たちの結果は、近未来の量子プロセッサがオープン量子システムをシミュレートできることを示しています。

量子コンピューターには、他の量子システム、つまり量子シミュレーションとして知られる重要なアプリケーションを効率的にシミュレートできることが期待されています。量子シミュレーションは理論的に興味深いだけでなく、光の採取、センシング、エネルギー貯蔵のための人工量子システムの設計など、多くの技術的応用の鍵となります。ただし、現実世界の量子システムは多くの場合、環境と相互作用し、システムを「オープン量子システム」として知られるものに変えます。したがって、オープン量子システムを効果的にシミュレートできる量子アルゴリズムを開発することが不可欠です。

私たちの研究では、時間依存の適応変分法を使用して、オープン量子システムのダイナミクスをシミュレートするためのコンパクトなアプローチを紹介します。提案されたアルゴリズムは、シミュレーション精度を維持することで演算子の動的追加を通じてリソース効率の高い分析を構築し、既存のアルゴリズムに代わる NISQ フレンドリー (ノイズのある中間スケール量子) を提供します。このアルゴリズムをノイズレス シミュレータと実際の IBM 量子プロセッサの両方でテストしたところ、結果は正確なソリューションとよく一致しました。さらに、システムのサイズと精度の増加に応じて、必要なリソースが合理的に拡張されることを示します。

私たちの結果は、近い将来の量子プロセッサがオープン量子システムをシミュレートできることを示唆しています。量子ハードウェアが改善し続けるにつれて、私たちのアルゴリズムが NISQ 時代のオープン量子システムの実用的なシミュレーションに新たな道を開くと期待しています。

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