Reducing circuit depth in adaptive variational quantum algorithms via effective Hamiltonian theories
电子结构模拟是量子计算机的一个预期应用。由于强关联系统中存在高维的量子纠缠,进行这种模拟所需的量子资源远远超出了当前量子器件的能力。为了降低量子线路的复杂性,有人建议将电子关联的一部分合并到有效哈密顿量中,有效哈密顿量通常从电子哈密顿量的相似变换获得。在这项工作中,我们引入了一个新的变换的形式的产品的线性组合的激发运营商构建有效的哈密顿量与有限项。为了证明它的准确性,我们还考虑了一个等效的自适应变分算法与此变换,并表明它可以获得一个准确的基态波函数。该变换定义的有效哈密顿量被引入到自适应变分量子算法中,以保持恒定尺寸的量子线路。新的计算方案进行了评估,通过对小分子进行数值模拟。化学精度是实现了一个更浅的电路深度。
2022-01-23 quant-ph
Scalable quantum circuits for exponential of Pauli strings and Hamiltonian simulations
本研究设计了可在低连接度硬件实现的泡利字符串指数量子电路,验证其可扩展性,将其用于多类哈密顿量演化模拟,18量子比特下精度接近数值Trotter误差,且在NISQ量级噪声下表现稳定。
2024-11-04 quant-ph
Detailed Analysis of Circuit-to-Hamiltonian Mappings
电路到哈密尔顿构造在哈密尔顿复杂性领域得到了广泛的应用,特别是用于证明QMA-硬度结果。在这项工作中,我们研究的基态能量的哈密顿标准时钟建设和那些需要动态初始化。我们把这些基态能量指数紧界,并确定改进的缩放边界的情况下,有一个恒定的概率被拒绝的计算。此外,我们证明了收集的结果有关的低能量子空间的量子行走线上的能量惩罚出现在任何一点上的行走,并介绍了一些一般的工具,可能是有用的,这样的分析。
2019-10-02 quant-ph
Stoquasticity in circuit QED
我们分析电路QED哈密顿是否是随机集中在系统的耦合通量量子比特:我们表明,可扩展的符号问题的自由路径积分蒙特卡罗模拟通常可以执行这样的系统。尽管如此,我们证实了最近的发现[arXiv:1903.06139],即有效的,非随机量子比特哈密顿量可以出现在电容耦合通量量子比特系统中。我们发现,如果电容耦合是足够小的,这种非随机性的有效量子位哈密顿量可以避免,如果我们执行一个正则变换之前,投影到一个有效的量子位哈密顿量。我们的结果揭示了电路QED哈密顿量的量子绝热计算的使用和微妙的发现一个代表,解决了这些系统中的符号问题的权力
2021-03-29 quant-ph
Recognizing Small-Circuit Structure in Two-Qubit Operators and Timing Hamiltonians to Compute Controlled-Not Gates
这项工作提出了数值测试,以确定是否有一个双量子比特运营商的简单的量子线路。具体来说,我们描述的公式,写在矩阵系数,表征运营商实现正好零,一个,或两个控制非(CNOT)门和所有其他门是一个量子位。本文给出了一个具有最佳CNOT门数的双量子比特电路综合算法,并以Deutsch-Josza、Shor和Grover等人的量子算法中出现的算子为例进行了说明。在另一个应用中,我们的显式数值测试允许定时给定的哈密顿量来计算CNOT模单量子位门,当这是可能的。
2003-12-31 quant-ph
Efficient Quantum Circuit Construction of Controlled Time-Evolution for Arbitrary Pauli-Sum Hamiltonians
Faculty of Engineering, Yokohama National University(横滨国立大学工学部);Department of Applied Physics and Physico-Informatics, Keio University(庆应义塾大学应用物理·物理信息系)
针对任意泡利和哈密顿量,提出一种递归算法将泡利项分组并分配反交换符号翻转泡利串,从而消除分组时间演化块中的辅助控制,显著降低编译T深度和CX深度。
2026-06-04 quant-ph
Hamiltonian Reordering for Shallower Trotterization Circuits
本文提出在 Trotterization 前利用图着色重排 Hamiltonian 的 Pauli 项以提升门并行性、降低电路深度,并验证其可改善 QAOA 的收敛速度与能量表现。
2025-03-14 quant-ph
Quantum adiabatic theorem for unbounded Hamiltonians with a cutoff and its application to superconducting circuits
本文提出一种新的量子绝热定理,消除了绝热时间尺度中的 2^n 因子和截断依赖,并将其应用于超导电路,给出通量量子比特的绝热时间尺度对电路参数的显式依赖,同时证明量子退火末段泄漏不可避免。
2022-12-05 quant-ph
Sparse identification of quantum Hamiltonian dynamics via quantum circuit learning
Future University Hakodate(函馆未来大学)
本文提出SIQHDy方法,利用量子电路学习从量子测量数据中稀疏识别量子哈密顿动力学,验证其在多自旋系统中的有效性与鲁棒性。
2026-02-16 quant-ph
On the gap of Hamiltonians for the adiabatic simulation of quantum circuits
通过绝热演化模拟量子线路的时间或成本由模拟中涉及的哈密顿量的谱隙决定。在基于费曼哈密顿量的“标准”构造中,这样的间隙随着电路中的门的数量L多项式地减小。因为一个较大的间隙意味着一个较小的成本,我们研究的光谱间隙放大在这种情况下的限制。我们表明,在一些假设下的基态和成本的发展与哈密顿(适用于标准的建设),上界的差距秩序1/L如下。此外,如果哈密顿量满足无挫挫性质,则上界为1/L^2阶。我们的证明使用最近的绝热状态变换,光谱间隙放大,和连续时间量子查询算法的模拟结果。他们还考虑从非结构化搜索问题,其在甲骨文成本的下限转化为上限的差距减少。我们的研究结果的影响是,改善的差距超出了标准的建设(即,1/L^2),如果可能的话,是具有挑战性的。
2013-07-18 quant-ph
History-state Hamiltonians are critical
到目前为止,所有的哈密顿复杂性结果都是通过构造一个局部哈密顿来证明的,该局部哈密顿的基态--或者至少是一些低能态--是一个“计算历史态”,将量子计算编码为计算历史的叠加。我们证明了所有的历史状态哈密顿算子都是批判的。更准确地说,对于任何将量子线路映射到具有低能量历史状态的局域哈密顿量的回路到哈密顿量映射,存在一个递增的回路序列,该回路序列映射到具有谱隙的增长的哈密顿量序列,该谱隙至少以O(1/n)的速度关闭,其中回路中的量子位数为n。这一结果适用于历史状态的一般概念,也适用于具有指数衰减相互作用的准局域哈密顿量。这表明带隙哈密顿的QMA-硬度(以及具有恒定间隙的绝热量子计算的BQP-完备性)需要超越历史状态构造的技术。或者,有间隙的哈密尔顿算子不可能是QMA-困难的(相应地,BQP-完全的)。
2018-10-15 quant-ph
Hamiltonian simulation for hyperbolic partial differential equations by scalable quantum circuits
本文提出显式构造有限差分离散微分算子量子门的可扩展哈密顿量模拟电路,用于双曲偏微分方程,实现相对经典算法的指数级复杂度降低,并通过波动方程数值与真机实验验证。
2024-09-08 quant-ph
Circuit Depth Reduction for Executable Hamiltonian Dynamics of Covalent Inhibitor Reactivity on Quantum Hardware
Capgemini Quantum Lab(凯捷量子实验室);IBM T. J. Watson Research Center(IBM T.J.沃森研究中心);Haiqu Inc.(海奇公司);IBM Quantum IBM France Lab(IBM量子法国实验室);GSK Medicines Research Centre(葛兰素史克药物研究中心)
本研究提出一种结合哈密顿时间演化与经典机器学习的端到端策略,通过电路缩减方法实现含磺酰氟弹头共价抑制剂反应性的量子模拟,在量子硬件上取得显著电路深度缩减且保留反应性预测精度。
2026-08-31 quant-ph
Hamiltonian of a flux qubit-LC oscillator circuit in the deep-strong-coupling regime
我们推导出一个超导电路,包括一个单约瑟夫森结磁通量子比特电感耦合到LC振荡器的哈密顿量,我们比较推导出的电路哈密顿量与量子拉比哈密顿量,它描述了一个两级系统耦合到谐振子。我们表明,有一个简单的,直观的对应关系之间的电路哈密顿量和量子拉比哈密顿。虽然存在整个谱的整体移位,但是直到第七激发态的电路哈密顿量的能级结构仍然可以由量子拉比哈密顿量很好地拟合,即使在耦合强度大于量子比特和振荡器的频率的情况下,即,当量子位振荡器电路处于深强耦合状态时。我们还表明,虽然电路的哈密顿量可以通过一个单一的变换包含一个电容耦合项的哈密顿量,得到的电路哈密顿量不能近似的量子拉比哈密顿量的变体,使用类似的程序映射到泡利和谐振子运营商的电路变量,即使是相对较弱的耦合。通量计和电荷计之间的这种差异来自量子比特哈密顿本征态的性质。
2022-05-17 cond-mat.supr-con quant-ph
Driven single-band tight-binding dynamics, mesoscopic quantum circuits and realization of generalized parafermionic polynomial algebrasDeformed parafermionic algebra from single-band tight-binding dynamics
研究了不同边界条件下受驱动单带紧束缚模型的量子动力学。阐明了描述单带紧束缚动力学的哈密顿量与离散电荷介观量子线路的哈密顿量之间的关系。结果表明,前者的哈密顿量,与Dirichlet边界条件,可以被认为是一个实现的变形parafermionic多项式代数。
2007-12-07 quant-ph
Systematic Construction of Time-Dependent Hamiltonians for Microwave-Driven Josephson Circuits
Yale University(耶鲁大学);Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL)(费米国家加速器实验室);Northwestern University(西北大学);Brookhaven National Laboratory(布鲁克海文国家实验室)
提出基于经典微波仿真的数值方法,构建任意几何形状超导电路在电荷、通量或混合电磁调制下的时间依赖哈密顿量,无需集总元件近似,并表征了驱动诱导的弛豫和退相干。
2026-09-15 quant-ph
Quadratically Shallow Quantum Circuits for Hamiltonian Functions
本研究提出了一种基于二次减少次数多项式的方法,用于高效实现多种哈密顿函数的量子电路。
2025-12-24 quant-ph
Efficient Quantum Circuits for Electronic Hamiltonian Simulation without Pauli Expansion
RIKEN, Center for Computational Science(理化学研究所计算科学中心);The University of Tokyo(东京大学);RIKEN, TRIP Headquarters(理化学研究所TRIP总部)
本文提出基于Lasp对角化的电子哈密顿量模拟方法,无需泡利展开,通过三元组优化将CX门数从O(n²)降至O(n),且避免Trotter误差,显著提升电路效率。
2026-09-09 quant-ph
Unbiased random circuit compiler for time-dependent Hamiltonian simulation
含时哈密顿模拟(TDHS)是量子计算中的一项关键任务。现有的算法一般有偏小的算法误差$\varepsilon$,和门的复杂性尺度为$O(\text{poly}(1/\varepsilon))$的产品公式为基础的方法,并可以改进为多对数与复杂的电路结构。在这里,我们开发了一个无偏的随机编译器TDHS结合戴森展开,量子进化的无偏连续采样方法,和领先的顺序旋转,它是免费的算法错误。我们的方法具有单量子位和双量子位门复杂度$O(Λ^2)$,具有恒定的采样开销,其中$Λ$是哈密顿强度的时间积分。在相互作用图和分子系统的绝热基态制备下,对自旋模型进行了数值模拟。在这两个例子中,我们观察到显着的改进,我们的方法比现有的。我们的工作为有效实现TDHS铺平了道路。
2022-12-19 quant-ph
Mid-Circuit Measurements for Clifford Noise Reduction in Hamiltonian Simulations
qBraid Co.(qBraid公司);IonQ Inc.(IonQ公司);NVIDIA Corporation(英伟达公司)
本文提出结合通用超快速编码的辛-转置 Trotter 合成与克利福德噪声减少和Shor式稳定子验证的门控测量框架,通过六量子位编码克利福德 Trotter 步在巴rium开发系统上的实现,展示出降低逻辑错误率的效果。
2026-05-13 quant-ph
Error Mitigation in Dynamic Circuits for Hamiltonian Simulation
University of Central Florida(中佛罗里达大学)
本文研究动态电路在哈密顿量模拟和物理系统基态估计中的误差缓解技术,通过动态去耦和零噪声扩展策略,显著提升基态估计的能量间隙和减少演化态误差。
2026-05-14 quant-ph
Quantum Simulation of Two-Dimensional Free Dirac Hamiltonian in Multimode Circuit QED
KAIST(韩国科学技术院);Technion - Israel Institute of Technology(以色列理工学院)
本研究在电路QED中实现了可编程的二维有质量狄拉克哈密顿量,通过单个拉比驱动量子比特耦合多模腔,观测到旋转颤动并验证了其动力学,为高维相对论量子模拟提供了紧凑平台。
2026-09-15 quant-ph
Variational quantum circuits to prepare low energy symmetry states
我们探讨如何建立量子线路,计算最低能量状态对应于一个给定的哈密顿量的对称子空间内明确编码到电路。我们创建了一个显式酉变换和一个变分训练酉变换,它将任意一个自定义子空间输出的向量映射到对称空间中的一个向量。这些参数被可变地训练以最小化能量,从而将输出保持在标记的对称值内。利用旋转和反射对称性对自旋XXZ哈密顿量以及利用S^2对称性对Sz = 0子空间内的H2哈密顿量进行了检验。我们已经发现变分训练的酉令人惊讶地给出非常好的结果,具有非常低的深度电路,因此可以用于在近期量子计算机内制备对称态。
2021-12-23 quant-ph
Space-Time Circuit-to-Hamiltonian Construction and Its Applications
电路到哈密顿构造通过明确定义时钟的量子寄存器将动态(量子线路及其输出)转换为静态(电路哈密顿的基态)。标准的Feynman-Kitaev构造为所有量子比特使用一个全局时钟,而我们考虑一个不同的构造,其中时钟被分配给每个相互作用的量子比特。这使得可以将原始量子线路的时空结构捕获到电路哈密顿量的特征中。该构造的灵感来自于最初的二维相互作用费米子模型(见http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.63.040302)。我们证明了对于一维量子线路,电路哈密顿量的间隙是适当的下界,部分使用马尔可夫链的混合时间的结果,因此该构造的应用QMA(和部分用于量子绝热计算)通过。对于一维量子线路,由线路哈密顿量产生的动力学对应于弦围绕环面的扩散。
2014-04-04 cond-mat.str-el gr-qc quant-ph
Good approximate quantum LDPC codes from spacetime circuit Hamiltonians
我们研究了近似量子低密度奇偶校验(QLDPC)码,这是一种近似量子纠错码,被指定为一个无挫折的局部哈密顿量的基空间,其项不一定是可交换的。这样的码推广了稳定器QLDPC码,其是具有稀疏、低权重稳定器生成器的精确量子纠错码(即,每个稳定器生成器作用于几个量子比特,并且每个量子比特参与几个稳定器生成器)。我们的调查是出于一个重要的问题,在哈密顿复杂性和量子编码理论:稳定QLDPC码与恒定速率,线性距离,和恒定重量的稳定器存在?我们表明,获得这样的最佳缩放参数(模多对数校正)是可能的,如果我们超越稳定器代码:我们证明了存在一个家庭的$[[N,k,d,\varepsilon]]$近似QLDPC码,编码$k = \widetildeΩ(N)$逻辑量子位到$N$物理量子位与距离$d = \widetildeΩ(N)$和近似不保真度$\varepsilon = \mathcal{O}(1/\textrm{polylog}(N))$。代码空间由一组10个本地非对易投影器稳定,每个物理量子位只参与$\mathcal{O}(\textrm{polylog} N)$投影器。我们证明了一个有效的编码映射的存在,我们表明,任意泡利错误可以局部检测电路的多对数深度。最后,我们表明,频谱间隙的代码哈密尔顿是$\widetildeΩ(N^{-3.09})$通过分析时空电路的双调排序网络架构,是空间本地的$\tex…
2018-11-01 quant-ph
CircuitQ: An open-source toolbox for superconducting circuits
我们介绍CircuitQ,这是一个用于分析Python实现的超导电路的开源工具箱。它的特点是一个符号的输入电路的哈密顿和动态数值表示的哈密顿与可变的基础选择的自动化建设。其他功能包括各种噪声机制下的电路状态的T1寿命的估计。我们回顾以前建立的电路量化方法,并制定它们的方式,有利于软件实现。然后通过将其应用于实际相关的量子位电路并将其与专业电路求解器进行比较来展示工具箱。我们的电路量化适用于来自大设计空间的电路输入,并且软件是开源的。因此,我们为量子信息处理应用的新量子线路的设计增加了重要的资源。
2022-09-28 quant-ph
A loop Quantum Approximate Optimization Algorithm with Hamiltonian updating
设计抗噪量子算法是在有噪中尺度量子器件上实现实际应用的必要条件。在这里,我们提出了一个量子近似优化算法~(QAOA)与一个非常浅的电路,称为循环QAOA,以避免在中间深度的噪声问题,同时仍然可以利用量子计算的力量。关键是使用浅电路QAOA的输出作为偏置来更新将解编码为基态的问题哈密顿量。通过在问题哈密顿量的更新和参数化量子线路的优化之间循环迭代,循环QAOA可以逐渐将问题哈密顿量转换为易于求解的问题哈密顿量。我们证明了循环QAOA的最大割问题和无噪声。与传统的QAOA相比,其性能会由于噪声而下降,环路QAOA的性能仍然可以随着环路数量的增加而变得更好。利用浅电路的输出作为偏置的见解可以应用于其他量子算法。
2021-09-24 quant-ph
Analog Quantum Simulation of Dirac Hamiltonians in Circuit QED Using Rabi Driven Qubits
本文提出一种在电路QED中用Rabi驱动量子比特模拟Dirac哈密顿量的新方法,以最小硬件实现模型灵活设计与参数完全控制,并通过Dirac动力学示例验证其有效性。
2025-04-11 quant-ph
A quantum hamiltonian simulation benchmark
针对QSVT电路复杂性问题,提出最小QSVT电路和QUES基准,证明其与保真度及经典难度相关,并给出最优模拟时间约4.81。
2023-05-12 quant-ph
Benchmarking Variational Quantum Eigensolvers for Entanglement Detection in Many-Body Hamiltonian Ground States
本文使用变分量子特征求解器(VQEs)对由Heisenberg哈密顿量描述的多体系统进行纠缠检测基准测试,发现受哈密顿量相互作用启发的参数化量子电路在代价函数估计上优于问题无关电路。
2024-07-29 quant-ph
Reducing circuit depth with qubitwise diagonalization
本研究提出一种逐比特对角化的量子算法,可生成深度为O(n log r)的电路对角化n比特Pauli生成算符,适配低连通性硬件,在随机与分子哈密顿量场景下实现短深度、少双比特门的效果。
2023-12-19 quant-ph
Toward Optimal Circuit Depth for Geometrically Local Hamiltonian Simulation
Center on Frontiers of Computing Studies, School of Computer Science, Peking University(北京大学计算机科学学院前沿计算研究中心);School of Physics, Peking University(北京大学物理学院);School of Artificial Intelligence, Beijing Normal University(北京师范大学人工智能学院);State Key Laboratory for Novel Software Technology, Nanjing University(南京大学软件新技术国家重点实验室);Hefei National Laboratory(合肥国家实验室);Mathematical Institute, University of Oxford(牛津大学数学研究所)
本文针对几何局域哈密顿量模拟,构造了深度为O(T log(nT/ε))的最近邻量子电路,并通过下界证明该深度在双对数因子内最优,阐明了局域性和精度对电路复杂性的影响。
2026-10-05 quant-ph
Some improvements to product formula circuits for Hamiltonian simulation
本文通过Trotter-Suzuki分解提出三项改进以优化基态能量估计算法的乘积公式实现,包括缩小线路模板、并行化对易受控旋转及更高效的并行调度,这些改进可与其他优化相结合。
2025-06-24 cs.ET quant-ph
Universal Hamiltonian control in a planar trimon circuit
Center for Quantum Information Science and Technology, University of Southern California(南加州大学量子信息科学与技术中心);Department of Physics & Astronomy, University of Southern California(南加州大学物理与天文学系);Ming Hsieh Department of Electrical & Computer Engineering, University of Southern California(南加州大学明海电气与计算机工程系);Department of Condensed Matter Physics and Materials Science, Tata Institute of Fundamental Research(塔塔基础研究院凝聚态物理与材料科学系)
本文展示了在平面三模电路中实现高保真操作,通过多频驱动实现所有两量子比特泡利算符,并演示了三模作为八态量子比特的高相干性。
2026-05-08 quant-ph
Effective Hamiltonians for interacting superconducting qubits -- local basis reduction and the Schrieffer-Wolff transformation
超导量子线路设计中的一个悬而未决的问题是如何最好地将描述其动力学的全电路哈密顿量简化为适合于量子信息操纵的有效的二能级量子比特哈密顿量。尽管在数值方法来模拟多元素超导电路的光谱特性的进展,文献缺乏一个一致的和有效的方法来确定有效的量子位哈密顿量。在这里,我们解决这个问题,通过引入一种新的本地基减少方法。该方法不需要对哈密顿量的结构进行任何特别的假设,例如其对外加场的线性响应。我们数值基准的本地基础减少方法对其他哈密顿减少方法在文献中,并报告超导量子比特的具体例子,包括电容分流的磁通量子比特,其中标准的减少方法失败。通过将局部基约化方法与Schriffl-Wolff变换相结合,我们进一步将其适用性扩展到相互作用量子比特系统,并使用它来提取非随机的两量子比特哈密顿量和三量子比特哈密顿量中的三局部相互作用项。
2020-03-25 quant-ph
Shorter width truncated Taylor series for Hamiltonian dynamics simulations
针对哈密顿动力学模拟的截断泰勒级数方法,提出一种替代量子电路,通过中期测量及多控制到单控制转换,保持渐近门成本不变的同时指数级减少辅助比特,并用Guppy实现评估。
2025-11-12 quant-ph
Stochastic approach for quantum metrology with generic Hamiltonians
针对通用哈密顿量缺乏变分量子计量方案的问题,本文提出基于量子线路的随机参数平移规则,用于计算量子Fisher信息,并在磁场估计中验证其优于标准参数平移规则。
2023-05-15 quant-ph
Optimizing QAOA: Success Probability and Runtime Dependence on Circuit Depth
量子近似优化算法(QAOA)是由Farhi等人首先提出的,由于其简单性、普适性和可证明的最优性,有望在近期得到应用。深度为p的QAOA由两个相互不可交换的哈密顿算子引起的p个交错酉变换组成。关于QAOA的性能的一个长期存在的问题是它的成功概率作为电路深度p的函数的依赖性。我们通过分析QAOA的成功概率实现状态转移在一维量子比特链使用两个量子比特XY哈密顿和单量子比特哈密顿取得了初步进展。我们提供了分析状态转移成功概率依赖于p在低和大p限制,利用独特的光谱性质的XY哈密顿量。我们支持我们的证明下,一个给定的QAOA的数值优化QAOA高达\(N\) =20量子位。我们表明,优化的QAOA可以实现著名的二次加速,Grover加速,在经典的替代品。将QAOA优化作为一个量子控制问题处理,我们还提供了电路深度如何决定QAOA算法的可控性的数值证据。
2019-05-28 quant-ph
Classically optimized Hamiltonian simulation
针对量子哈密顿量模拟,本文提出用基于张量网络的经典算法优化量子电路,相较 Trotter 乘积公式显著提升精度并延长可模拟时间。
2023-06-02 quant-ph
Faster and shorter synthesis of Hamiltonian simulation circuits
针对 Pauli 旋转量子电路综合,本文提出可优化纠缠门数量或深度、并可调节旋转顺序约束的贪心启发式方法,在 Hamiltonian 模拟基准上实现最高 4 倍深度压缩,还可优化通用电路。
2024-04-04 cs.DM quant-ph
Towards chemical accuracy with shallow quantum circuits: A Clifford-based Hamiltonian engineering approach
本文提出基于Clifford的哈密顿量工程算法CHEM,结合变分量子本征求解器与硬件高效拟设,解决电路深度与精度的权衡,在12量子比特系统中用少于30个双量子比特门实现化学精度。
2023-12-10 physics.chem-ph quant-ph
Hardware-Efficient Hamiltonian Simulation via Trotter-Initialized Variational Optimization with Native Placement
Instituto de Física Gleb Wataghin, Universidade Estadual de Campinas(坎皮纳斯州立大学格莱布·瓦塔金物理研究所)
本文提出一种结构感知的编译框架,结合哈密顿项的原生放置、Trotter块的自适应选择和变分优化,实现高效模拟量子哈密顿动力学,展示在NISQ设备上近似编译优于精确合成。
2026-04-29 quant-ph
An Efficient Quantum Circuit for Block Encoding a Pairing Hamiltonian
本文提出一种利用受控交换操作直接块编码配对哈密顿量的高效量子电路,避免了泡利映射和酉线性组合表示,并可与量子奇异值变换结合近似态密度,门复杂度随量子比特数多项式增长。
2024-02-21 cs.NA math.NA nucl-th
Algebraic Compression of Quantum Circuits for Hamiltonian Evolution
含时哈密顿量下的幺正演化是量子硬件模拟的关键组成部分。合成相应的量子线路通常是通过将演化分解为小的时间步长来完成的,也称为Trotterization,这导致电路的深度与步长的数量成比例。当电路元件被限制在SU(4)的子集时--或者等价地,当哈密顿量可以映射到自由费米子模型上时--存在几个恒等式来组合和简化电路。在此基础上,我们提出了一种算法,压缩到一个单一的块的量子门的特罗特步骤。这导致在一个固定的深度时间演化的某些类的哈密顿。我们明确地展示了这种算法如何适用于几种自旋模型,并展示了它的使用绝热态制备的横向场伊辛模型。
2021-08-20 cs.NA math.NA quant-ph
Continuous Hamiltonian dynamics on digital quantum computers without discretization error
本文提出一种数字量子计算机上的哈密顿动力学模拟算法,以有限电路深度实现零离散化误差,门数为 O(t²μ²) 且不依赖目标精度,并适用于非稀疏及含时哈密顿量。
2023-11-17 quant-ph
Generalization of the output of variational quantum eigensolver by parameter interpolation with low-depth ansatz
变分量子本征求解器(VQE)是近期量子计算机的一个引人注目的可能应用。最初,VQE的目的是找到一个特定的哈密顿量的基态。它是通过调节构成量子态的量子线路上的参数\(\bmθ\)来最小化量子态的哈密顿量的期望值来实现的。在这里,我们考虑VQE的扩展问题,即我们在这项工作中的目标是“概括”VQE的优化输出,就像机器学习一样。我们的目标是找到一组给定的哈密顿量\(\{H(\bm{x})\}\)的基态,其中\(\bm{x}\)是一个参数,它指定了所考虑的量子系统,如分子原子的几何形状。我们的方法是在少量的\(\bm{x}\)上对电路进行训练。具体地说,我们采用在不同的\(\bm{x}\)的确定的最佳电路参数的插值,假设电路参数\(\bmθ\)有一个简单的隐藏参数\(\bm{x}\)作为\(\bmθ(\bm{x})\)的依赖性。我们通过数值模拟表明,使用一个我们称之为哈密顿交替变换的变换器,最佳电路参数可以被内插到训练好的\(\bm{x}\)之间,得到接近最佳的基态。所提出的方法可以大大减少,在几个数量级的粗略估计,所需的时间获得不同的哈密顿量的VQE的基态。一旦被推广,该预测电路可以预测基态,而无需在\(\bm{x}\)的一定范围内优化电路参数\(\bmθ\)。
2018-10-10 quant-ph
Constant-Depth Circuits for Dynamic Simulations of Materials on Quantum Computers
材料的动态模拟是近期量子计算机的一个有前途的应用。然而,当前的哈密顿模拟算法产生的电路随着模拟时间的增加而深度增长,将可行的模拟限制在短时间动态。在这里,我们提出了一种方法,用于生成电路,是恒定的深度随着模拟时间的一个子集的一维材料哈密顿,从而使模拟任意长的时间。此外,通过去除对可行模拟时间步长的数量的有效限制,恒定深度电路允许将模拟分解为任意多个时间步长,从而使Trotter误差小到可以忽略。这些恒定深度电路由最近邻量子比特上的两个量子比特匹配门组成,基于一组多匹配门身份关系构建。对于$N$ -自旋系统,恒定深度电路仅包含$\mathcal{O}(N^2)$ CNOT门。与标准的哈密顿模拟算法相比,我们的方法生成的电路具有数量级更少的门,这使我们能够在可用的量子硬件上成功模拟具有多达5个自旋的系统的长期动态。这为科学和技术相关的量子材料的长时间动力学模拟铺平了道路,从而能够观察有趣和重要的原子级物理。
2021-04-13 quant-ph
A random compiler for fast Hamiltonian simulation
量子系统的动力学可以使用量子计算机通过将幺正分解为一个和两个量子比特门的量子线路来模拟。最成熟的方法是Trotter-Suzuki分解,其电路大小的严格界限取决于系统哈密顿量中的项$L$的数量和哈密顿量$Λ$中最大项的大小。因此,Trotter-Suzuki仅适用于稀疏Hamilton。Trotter-Suzuki是一个确定性编译器,但最近表明,随机编译提供更低的开销。在这里,我们提出并分析了一个随机编译器的哈密顿模拟门的概率是成比例的强度相应的一项在哈密顿。这种方法要求电路大小独立于$L$和$Λ$,而是取决于$λ$,即哈密顿强度的绝对和($\ell_1$范数)。因此,它特别适合于与量子化学相关的电子结构哈密顿量。考虑到丙烷,二氧化碳和乙烷,我们观察到的速度相比,标准Trotter-Suzuki的$306\times$和$1591\times$之间的物理显着的模拟时间在精度$10^{-3}$。在化学精度进行相位估计,我们报告说,节省是相似的。
2019-06-25 quant-ph
Shaping of the finite-size chaos crossover in Floquet circuits by coherent-mismatch architecture
University College London(伦敦大学学院);Ningbo University(宁波大学);Tianjin University(天津大学);Northwest University(西北大学);Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, Consejo Superior de Investigaciones Científicas(马德里材料科学研究所,西班牙国家研究委员会)
本研究通过对比单键与交替扰动,发现相干失配架构以更小振幅驱动U(1)对称XXZ Floquet电路向混沌交叉,且响应受键位置影响,揭示空间干涉重塑本征态耦合。
2026-09-28 quant-ph
Asymmetric butterfly velocities in Hamiltonian and circuit models
蝴蝶速度$v_B$已被提出作为局部系统中信息传播的特征速度。它可以通过局部算子在时间上的弹道传播(或者,等价地,通过时间外有序的算子)来测量。一般来说,这个速度可以取决于扩散的方向,实际上,不同方向之间的不对称性可以使用任意深度的量子线路任意大。然而,在迄今为止已经研究过的几乎所有与局部时间无关的哈密顿量的例子中,这个速度与信息传播的方向无关。在这项工作中,我们提出了两个模型的不对称$v_B$。第一个是一个与时间无关的哈密顿量在一个维度与当地,3-网站的相互作用。第二种是一类局部酉电路,我们称之为$n$ -阶梯,其中$n$用作从具有对称扩展的$n=1$到具有完全手征信息传播的$n=\infty$的可调参数插值。
2018-12-13 cond-mat.stat-mech quant-ph
Local Hamiltonian decomposition and classical simulation of parametrized quantum circuits
该研究提出复杂度为$O(K2^n)$的经典算法模拟n量子比特参数化量子电路,通过构造对应量子门的2-稀疏酉矩阵实现,还推导了量子门的哈密顿量解析表达式与PQC的局域哈密顿量分解,结果经数值模拟验证。
2024-01-31 cs.SC quant-ph
Qompiler: A Traceable Quantum Circuit Synthesizer for Arbitrary Hamiltonians
该研究提出Qompiler框架,通过基于B树的中间表示实现任意哈密顿量到量子电路的分解与追溯,支持多硬件后端渲染及多语言转译,解决物理建模与量子软件开发的衔接问题。
2025-09-18 cs.SY eess.SY quant-ph
Learning Hamiltonians for $O(1)$ Oracle-Query Quantum State Preparation
Sharif University of Technology(谢里夫理工大学)
本研究提出了一种基于哈密顿量的量子态制备方法,通过经典训练学习参数并利用量子电路实现高效制备,适用于近期量子设备。
2026-10-22 quant-ph
An Algebraic Quantum Circuit Compression Algorithm for Hamiltonian Simulation
量子计算是一种很有前途的技术,它利用量子力学的特性为一些在经典计算机上难以解决的问题提供计算加速。当前一代有噪中间尺度量子(NISQ)计算机在芯片尺寸和差错率方面受到严重限制。具有简单拓扑结构的浅量子电路是NISQ时代成功应用的关键。基于矩阵分析,我们推导出局域电路变换,以有效地压缩量子电路模拟某些自旋哈密顿称为自由费米子。压缩电路的深度与模拟时间无关,并随自旋数线性增长。所提出的数值电路压缩算法的行为向后稳定和规模立方的自旋数,使电路综合超过$\mathcal{O}(10^3)$自旋。由此产生的量子电路具有简单的最近邻拓扑结构,这使得它们非常适合NISQ设备。
2021-08-17 cs.NA math.NA quant-ph