Thermodynamics of quantum trajectories on a quantum computer
本文借助将量子轨迹视为微观状态的热力学类比，提出在门型量子计算机上通过系统—附属系统耦合与测量控制非马尔可夫动力学，并在 ibm_jakarta 上完成原理验证。
2023-10-12 cond-mat.stat-mech quant-ph
A method to efficiently simulate the thermodynamical properties of the Fermi-Hubbard model on a quantum computer
Fermi-哈伯德模型包含了强关联材料的许多现象，其物理性质可以根据巨正则势按标准程序计算。一般来说，对于一维以上的晶格，没有封闭形式的解，但可以用团簇微扰理论近似解。为了模拟长程效应，如序参量，一个强大的方法来计算集团的格林函数包括通过巨正则势的变分原理找到它的自能。这为在有限温度下研究费米-哈伯德模型中的各种相变提供了可能。然而，经典的集群求解器在存储计算变量所需的存储器（或计算时间）中迅速地撞上指数墙。在这里，它从理论上表明，集群求解器可以映射到量子计算机上的子程序，其量子存储器的规模作为模拟集群中的轨道数。因此，一台拥有几十个量子比特的量子计算机可以模拟复杂费米子晶格的物理特性，而经典超级计算机是无法做到的。
2015-11-27 cond-mat.str-el quant-ph
Does a Computer have an Arrow of Time?
在[Sch05a]中，有人认为玻尔兹曼的直觉是正确的，即时间的心理箭头必然与热力学箭头一致。舒尔曼给出了这种联系的明确的物理机制，基于大脑可以表示为计算机，以及计算过程的某些热力学性质。[94]提出了类似的，如果简短，论点。本文的目的是批判性地审查支持之间的联系热力学和时间箭头的计算机。舒尔曼和霍金提出的主要论点将被证明是失败的。它将表明，任何计算过程，可以发生在一个熵增加的宇宙，同样可以发生在一个熵减少的宇宙。这个结论并不自动意味着心理箭头可以与热力学箭头背道而驰。将简要讨论两个箭头对齐的一些替代可能的解释。
2009-11-30 cond-mat.stat-mech quant-ph
Many Body Thermodynamics on Quantum Computers via Partition Function Zeros
相互作用的量子系统说明了复杂的现象，包括相变到新的有序相。临界现象的普遍性使其描述简化为仅确定转变温度和临界指数。数值计算这些结果的系统在新的通用类是复杂的，由于临界减速，需要增加资源附近的临界点。另一种方法是在复平面上解析地继续计算，并通过其零点确定配分函数。在这里，我们展示了如何鲁棒地执行这种分析的嘈杂的中间尺度捕获离子量子计算机在一个可扩展的方式，使用XXZ模型作为原型。我们说明了从XY样的行为伊辛样的行为作为一个功能的各向异性的过渡。虽然量子计算机还不能扩展到热力学极限，但随着硬件的改进，我们的工作提供了一条途径，可以确定无法以其他方式解决的系统的关键现象。
2020-09-10 cond-mat.stat-mech cond-mat.str-el quant-ph
Dynamical Aspects of Information Storage in Quantum-Mechanical Systems
我们用统计动力学的方法研究了噪声量子寄存器和计算机中的信息存储。我们发展了严格收缩的量子信道的概念，以便构建物理上可实现的数学模型，即，非理想量子寄存器和计算机严格收缩通道非常简单，但表现出非常有趣的特征，从物理的角度来看，这些特征是有意义的。特别是，它们使我们能够将有限精度的所有实验可实现的操作的关键假设。严格收缩性也帮助我们深入了解噪声量子演化的热力学（接近平衡）。我们对热力学的研究主要集中在量子寄存器和计算机在严格收缩噪声影响下的熵能量平衡。利用熵能方法，我们能够评估维持计算机可靠运行所需的资源。我们还获得了最大可容忍的错误率的估计。最后，我们探讨了超越纠错标准电路模型的可能性，即在低温下基于相互作用粒子系统构建量子存储器件。
2003-04-02 quant-ph
Variational Quantum Simulations of Finite-Temperature Dynamical Properties via Thermofield Dynamics
量子计算机硬件的最新进展提供了模拟量子多体系统的可能性，超出了其经典同行的能力。然而，目前的工作大多集中在模拟量子系统的基态性质或纯态量子动力学。低温物理学的探索要少得多，现有的文献主要考虑平衡性质。在这里，我们提出了一个变分量子模拟协议的基础上的热场动力学的形式主义来模拟量子系统的动力学和非平衡有限温度特性的近期量子计算机。与以往的方法相比，在计算平衡动力学性质，我们的方法不需要计算昂贵的初始状态采样。更重要的是，我们的方法能够模拟以前没有用量子计算机探索过的非平衡现象。分子吸收光谱和自旋猝灭动力学的数值模拟证实了我们的方法的能力。
2022-06-11 cond-mat.stat-mech quant-ph
Thermodynamic Limits of Quantum Search
Institut für Quantenphysik und Zentrum für Optische Quantentechnologien, Universität Hamburg（量子物理研究所与光学量子技术中心，汉堡大学）；Universität Hamburg（汉堡大学）；The Hamburg Centre for Ultrafast Imaging（汉堡超快成像中心）
研究探讨了量子搜索算法的热力学极限，推导出工作与运行时间的权衡关系，并通过定制量子协议验证了该下限的紧性，表明在暗能量主导的宇宙中，831位密钥无法在星系形成停止前被确定性恢复。
2026-03-13 quant-ph
Simulation of multiple-quantum NMR dynamics of spin dimer on quantum computer
在IBM的5量子位超导量子处理机上，研究了自旋二聚体在多量子NMR实验中的动力学行为，包括基态和热力学平衡（混合）初态.这项工作可以被认为是量子计算机应用于解决磁共振问题的第一步。本文献给克劳斯·莫比乌斯教授和Kev Salikhov教授85岁生日。
2021-04-28 quant-ph
A Thermodynamic Turing Machine: Artificial Molecular Computing Using Classical Reversible Logic Switching Networks
本文讨论了如何实现某些类的量子计算机算法，使用经典的离散开关网络，是服从主流CMOS晶体管IC技术的实现。该方法与其他经典方法的不同之处在于，在经典晶体管可逆逻辑电路中利用异步反馈来实现Hadamard变换，就像在真正的量子计算机中一样。西蒙问题被用作一个例子。该方法是用来提供一个阶n执行速度的方法，高斯消除步骤中的西蒙问题。该方法被称为热力学图灵机，因为它表现得像一个人工分子，其中通过将经典电路从一个热力学平衡状态演化到另一个来找到问题的解决方案。
2009-05-14 cs.CC quant-ph
Calculation of Gibbs partition function with imaginary time evolution on near-term quantum computers
吉布斯配分函数是描述热力学平衡体系统计性质的一个重要量。有几个建议在近团队量子计算机上计算配分函数。然而，现有的方案需要吉布斯态的许多副本来执行外推以计算配分函数，并且这些在近期的量子计算机上执行可能是昂贵的。在这里，我们提出了一个有效的计划来计算吉布斯函数的虚时间演化。为了计算$N$量子位的吉布斯函数，在我们的方案中只需要$2N$量子位。利用虚时间演化方法制备了不同温度的吉布斯态，并在量子线路上测量了它们之间的重叠，从而计算出吉布斯配分函数。
2021-09-30 quant-ph
Are there quantum bounds on the recyclability of clock signals in low power computers?
即使一个逻辑网络由逻辑可逆门操作组成，如果门实现由外部时钟信号控制，计算过程可能具有高耗散率。这是一个悬而未决的问题，全球时钟机制是否一定涉及不可逆的过程。然而，可以表明，它是不可能的，以提取任何定时信息从微物理时钟而不干扰it.applying最近的结果量子信息理论，我们可以显示一个硬件无关的下限的定时信息，是必然被破坏，如果一个试图复制的信号。对于低能量信号，边界变得更紧，即，定时信息变得越来越量子化。
2002-02-11 quant-ph
A Physical Explanation for Tilde System in Thermo Field Dynamics
对于两体量子系统，任何纯态都可以通过Schmidt分解用双正交表示。将其应用于热力学系统及其周围环境的复合系统中，发现热场动力学中的波浪形系统正是真实系统的周围环境。
2001-03-23 quant-ph
Thermofield Dynamics of Time-Dependent Boson and Fermion Systems
我们制定的热场动力学的时间依赖系统相结合的刘维尔-冯诺依曼方程，其不变的运营商，和热场动力学的基本概念。新的配方适用于含时玻色子和费米子通过使用含时湮灭和创建运营商，满足刘维尔-冯诺依曼方程。证明了热态是依赖于时间和温度的真空态，并导出了计算算符热期望值的一般公式。
2003-08-09 quant-ph
Thermodynamic sampling of materials using neutral-atom quantum computers
University College London（伦敦大学学院）；Amazon Braket（亚马逊Braket）；London South Bank University（伦敦南岸大学）
研究利用中性原子量子计算机提取材料热力学性质，以氮掺杂石墨烯为测试案例。通过映射能量学、引入重标度策略克服硬件能量尺度限制，建立相关对应关系，并用穷举法和蒙特卡罗采样在不同位点系统验证该方法。
2026-07-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech quant-ph
Machine classification for probe based quantum thermometry
我们考虑基于探针的量子测温，并表明机器分类可以提供模型独立的估计与量化的误差评估。我们的方法是基于k-近邻算法。该机器使用计算机模拟或校准实验的数据进行训练。这产生了一个预测器，可以用来估计新的观测温度。该算法是高度灵活的，适用于任何类型的探针观察。它还允许将实验误差，以及实验参数的不确定性。我们说明我们的方法与杂质温度计在玻色气体，以及在拉比模型中的热声子数的估计。
2021-10-04 cond-mat.stat-mech quant-ph
What the foundations of quantum computer science teach us about chemistry
随着量子技术的快速发展，其中一个主要的应用是化学模拟。有趣的是，即使在全尺寸量子计算机可用之前，量子计算机科学已经展示了一系列显着的结果，这些结果直接影响了任何计算机在化学模拟中的可能性。其中一些结果甚至影响了我们对现实世界中化学的理解。从这个角度来看，我们认为直接化学模拟最好理解为数字实验。虽然这一方面澄清了量子计算机扩展我们的能力，但它也向我们展示了过于直接地采取这种方法的局限性。利用量子计算机无法超越物理世界的结果，我们建立了一个有争议的立场，即一些化学问题最好被视为没有算法可以提供解决方案的问题，在计算机科学中称为不可判定的问题。这对热力学模型的预测能力和遍历假设等主题有影响。然而，我们认为，这种观点不是失败主义，而是有助于阐明现有的化学模型，如过渡态理论，分子轨道理论和热力学模型，受益于数据的成功。我们最近的结果表明，数据增强模型是更强大的死记硬背模拟。这些结果帮助我们欣赏传统化学理论的成功，并预测从实验数据中学习到的新模型。量子计算机不仅可以为这些模型提供数据，还可以扩展以基本方式利用数据的模型的类别和能力。这些讨论的高潮是对量子计算和化学相互作用的新方法的推测，以及我们对量子计算机在化学未来的最终作用的看法。
2021-06-07 physics.chem-ph quant-ph
Calculating the many-body density of states on a digital quantum computer
本文提出并实现了一种受核多项式方法启发的量子算法，在Quantinuum H1-1离子阱芯片上利用18量子比特受控寄存器估计不可积哈密顿量的态密度，展示了量子硬件上多体热力学性质计算的最新水平。
2023-03-23 cond-mat.stat-mech quant-ph
Experimental simulation of non-equilibrium quantum piston on a programmable photonic quantum computer
KTH Royal Institute of Technology（皇家理工学院）；Single Quantum B.V.（Single Quantum有限公司）；RISE Research Institutes of Sweden（瑞典RISE研究院）；Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学）
本研究利用可编程光子量子计算机实验模拟双玻色子量子活塞的非平衡动力学，揭示了不可区分性和多体干涉对量子功、耗散和熵生产的影响。
2026-03-11 cond-mat.stat-mech physics.optics quant-ph
Quantum Thermodynamics: An introduction to the thermodynamics of quantum information
这本书提供了一个量子热力学的新兴领域的介绍，特别关注它与量子信息的关系及其对量子计算机和下一代量子技术的影响。文本，针对研究生水平的物理学生与工作知识的量子力学和统计物理，提供了一个简要概述的发展经典热力学及其量子制定在第1章。第2章然后探讨了典型的热力学设置，如循环和工作提取协议，当工作材料是真正的量子。最后，第3章探讨了量子信息处理的热力学，并向读者介绍了这个令人兴奋和迅速发展的研究领域中的一些更先进的主题。
2019-07-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech
Analyzing many-body localization with a quantum computer
多体局域化，即具有非零激发能密度的态局域化对电子-电子相互作用的持续性，对当前的理论和数值分析方法提出了挑战。到目前为止，数值模拟仅限于少数站点，因此很难获得有关热力学极限的可靠声明。在本文中，我们将探索如何利用相对较小的量子计算机来研究多体局域化。我们表明，除了研究时间演化，量子计算机可以在多项式时间内获得任意能量的本征态，以足够的精度，可以观察到本地化。由于量子测量的局限性，不能直接获得纠缠熵，使得最近文献中使用的一些多体局域化定义难以应用。我们讨论了可以在量子计算机上实现的本地化的替代测试。
2014-11-05 cond-mat.dis-nn quant-ph
Simulating Ising Spin Glasses on a Quantum Computer
本文提出了一种在量子计算机上构造伊辛模型组态吉布斯分布的线性时间算法。该算法的设计，使每个运行提供一个配置的量子概率等于相应的热力学权重。因此，有效地近似配分函数。该算法既不遭受临界减速，也不会陷入局部极小值。本文提出了一种在量子计算机上构造伊辛模型组态吉布斯分布的线性时间算法。该算法的设计，使每个运行提供一个配置的量子概率等于相应的热力学权重。因此，有效地近似配分函数。该算法既不遭受临界减速，也不会陷入局部极小值。该算法可以应用于任何维度，一类自旋玻璃伊辛模型与一个有限部分的挫折plaquettes，稀释伊辛模型，和模型与磁场。应用于任何维度，一类自旋玻璃伊辛模型与一个有限部分的挫折plaquettes，稀释伊辛模型，模型与磁场。
1997-09-23 comp-gas cond-mat nlin.CG
No-cloning theorem in thermofield dynamics
讨论了量子信息中的不可克隆定理与热场动力学（TFD）中的加倍过程之间的关系。我们还讨论了如何应用无克隆定理的上下文中定义的TFD的温度场状态。与混合态，冯诺伊曼熵和热场真空的后果也得到解决。
2012-04-13 math-ph math.MP quant-ph
Thermalization in Nature and on a Quantum Computer
在这项工作中，我们将展示如何吉布斯或热态动态出现在封闭的量子多体系统，建立在程序的动态典型性。我们介绍了一种新的物理相关的弱系统浴耦合，即使在热力学极限是适用的微扰定理。我们确定了热化发生的条件，并讨论了潜在的物理。基于这些结果，我们还提出了一个完全通用的量子算法准备吉布斯态的量子计算机上的认证的运行时间和误差界。这是对量子Metropolis算法的补充，量子Metropolis算法被认为是高效的，但没有已知的运行时间估计，并且只适用于局部Hamilton。
2012-03-12 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Lieb-Robinson Bounds and Existence of the Thermodynamic Limit for a Class of Irreversible Quantum Dynamics
我们证明了Lieb-Robinson边界和存在的热力学极限的一般类的不可逆动力学的量子晶格系统与时间相关的发电机，满足一个适当的衰减条件在空间中。
2011-04-12 math-ph math.MP quant-ph
Finite-temperature nonlinear dynamics in cavity QED: A Thermofield Dynamics Approach
研究了原子+腔系统动力学中的热浴效应。温度的影响进行了探讨，使用热场动力学形式主义。结果发现，该系统的动力学是敏感的温度和热效应的微小变化，导致从规则到混沌运动的过渡增加不稳定性。
2011-06-28 cond-mat.mes-hall nlin.CD physics.atom-ph
Vibronic spectra at nonzero temperatures from Herman-Kluk coherence thermofield dynamics
本研究将半经典Herman-Kluk近似与相干热场动力学结合，推导了热场波包自关联函数的轨迹计算方法，实验表明其在高非谐性Morse势下能准确捕捉热带，优于单轨迹解冻高斯方法。
2025-07-29 math-ph math.MP physics.chem-ph
Arrow of time and its reversal on IBM quantum computer
揭开时间之箭的起源仍然是一个基本的科学挑战。在统计物理学的框架内，这个问题与热力学第二定律密不可分，热力学第二定律宣称熵的增长来自系统与环境的纠缠。然而，时间的不可逆转性是否是一个基本的自然法则，或者相反，它是否可以被规避，还有待观察。在这里，我们表明，虽然在自然界中的时间反演所需的复共轭是指数不可能的，一个可以设计的量子算法，包括复共轭，从而逆转一个给定的量子态。在IBM量子计算机上使用这种算法，使我们能够在实验上演示一个电子散射在一个两能级杂质的向后的时间动力学。
2018-02-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con cs.IT
