Simulação quântica digital de dinâmica não perturbativa de sistemas abertos com polinômios ortogonais

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

¹Centro de Física das Universidades do Minho e do Porto, Braga 4710-057, Portugal
²Instituto de Física Teórica e IQST, Universidade de Ulm, Albert-Einstein-Allee 11, Ulm 89081, Alemanha
³Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia, 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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Sumário

Simulações clássicas não perturbativas da dinâmica de sistemas quânticos abertos enfrentam vários problemas de escalabilidade, nomeadamente, escalonamento exponencial do esforço computacional em função da duração da simulação ou do tamanho do sistema aberto. Neste trabalho, propomos a utilização do operador Time Evolving Density with Orthogonal Polynomials Algorithm (TEDOPA) em um computador quântico, que denominamos como Quantum TEDOPA (Q-TEDOPA), para simular dinâmicas não perturbativas de sistemas quânticos abertos acoplados linearmente. para um ambiente bosônico (banho contínuo de fônons). Ao realizar uma mudança de base do hamiltoniano, o TEDOPA produz uma cadeia de osciladores harmônicos com apenas interações locais do vizinho mais próximo, tornando este algoritmo adequado para implementação em dispositivos quânticos com conectividade qubit limitada, como processadores quânticos supercondutores. Analisamos detalhadamente a implementação do TEDOPA em um dispositivo quântico e mostramos que escalonamentos exponenciais de recursos computacionais podem ser potencialmente evitados para simulações de evolução temporal dos sistemas considerados neste trabalho. Aplicamos o método proposto à simulação do transporte de excitons entre duas moléculas coletoras de luz no regime de força de acoplamento moderada a um ambiente oscilador harmônico não-Markoviano em um dispositivo IBMQ. As aplicações do Q-TEDOPA abrangem problemas que não podem ser resolvidos por técnicas de perturbação pertencentes a diferentes áreas, como a dinâmica de sistemas biológicos quânticos e sistemas de matéria condensada fortemente correlacionados.

Simulação quântica digital de dinâmica não perturbativa de sistemas abertos com polinômios ortogonais PlatoBlockchain Data Intelligence. Pesquisa vertical. Ai.

Resumo popular

O artigo apresenta o operador Quantum Time Evolving Density com algoritmo Orthogonal Polynomials (Q-TEDOPA), uma adaptação do método clássico TEDOPA para computação quântica, onde são simuladas dinâmicas não perturbativas de sistemas quânticos abertos linearmente acoplados a ambientes bosônicos. Projetado para computadores quânticos com conectividade qubit restrita, como processadores quânticos supercondutores, o Q-TEDOPA requer apenas interações locais com o vizinho mais próximo. Analisamos a complexidade do método e sugerimos que o Q-TEDOPA pode atingir acelerações exponenciais em relação ao seu equivalente clássico (TEDOPA). Demonstramos sua utilidade simulando o transporte de excitons entre moléculas coletoras de luz em um dispositivo IBMQ real usando até 12 qubits. Q-TEDOPA mostra-se promissor no aprimoramento dos recursos de simulação quântica, fornecendo uma abordagem mais eficiente em termos de recursos em comparação com o TEDOPA clássico.

► dados BibTeX

@artigo{Guimaraes2024digitalquantum, doi = {10.22331/q-2024-02-05-1242}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2024-02-05-1242}, title = {Quantum digital simulação de dinâmica não perturbativa de sistemas abertos com polinômios ortogonais}, autor = {Guimar{~{a}}es, Jos{'{e}} D. e Vasilevskiy, Mikhail I. e Barbosa, Lu{'{i} }s S.}, jornal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, editor = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volume = {8 }, páginas = {1242}, mês = fevereiro, ano = {2024} }

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Citado por

[1] José D. Guimarães, James Lim, Mikhail I. Vasilevskiy, Susana F. Huelga e Martin B. Plenio, “Simulação Quântica Digital Assistida por Ruído de Sistemas Abertos Usando Cancelamento Probabilístico Parcial de Erros”, PRX Quantum 4 4, 040329 (2023).

[2] Jonathon P. Misiewicz e Francesco A. Evangelista, “Implementação do Eigensolver Quântico Projetivo em um Computador Quântico”, arXiv: 2310.04520, (2023).

[3] Anthony W. Schlimgen, Kade Head-Marsden, LeeAnn M. Sager-Smith, Prineha Narang e David A. Mazziotti, “Preparação do estado quântico e evolução não unitária com operadores diagonais”, Revisão Física A 106 2, 022414 (2022).

As citações acima são de SAO / NASA ADS (última atualização com êxito 2024-02-06 02:51:43). A lista pode estar incompleta, pois nem todos os editores fornecem dados de citação adequados e completos.

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Fonte: https://quantum-journal.org/papers/q-2024-02-05-1242/

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