The first-order Trotter decomposition in the dynamical-invariant basis
本文研究动力学不变量基下的首阶Trotter分解,证明其偏差为小系数的二阶量,并展示其在反绝热驱动实现捷径到绝热性中的数字应用。
2023-08-29 quant-ph
Digital Quantum Simulation, Trotter Errors, and Quantum Chaos of the Kicked Top
本文旨在用踢顶的量子混沌解释集体自旋系统数字量子模拟(DQS)中的Trotter误差。特别是,对于这种系统的DQS,踢顶的规则动态确保了Trotterized时间演化的收敛,而顶部的混乱,其设置在Trotter步长的尖锐阈值之上,对应于Trotter错误的扩散。我们展示了在各种各样的踢顶实验实现中分析这种现象的可能性,从单原子自旋到捕获离子量子模拟器,这些模拟器实现了所有相互作用的自旋1/2系统的DQS。因此,这些平台能够深入研究特罗特误差及其与量子混沌特征的关系,包括时间外有序量子的增长。
2019-09-10 cond-mat.quant-gas quant-ph
Towards adiabatic quantum computing using compressed quantum circuits
本研究提出基于张量网络的固定深度参数化量子电路经典优化方法,结合反绝热驱动抑制非绝热跃迁,在量子伊辛链基态制备任务中性能优于传统Trotter乘积公式,可应用于组合优化。
2024-06-20 quant-ph
Characterization and Verification of Trotterized Digital Quantum Simulation via Hamiltonian and Liouvillian Learning
数字量子模拟的目标是通过一系列量子门来近似给定目标哈密顿量的动力学,这一过程被称为Trotterization。这种近似的质量可以通过所谓的Trotter步骤来控制,该步骤控制每单位模拟时间所需的量子门数量。由Trotterization产生的频闪动力学有效地描述了时间无关的哈密顿量,称为Floquet哈密顿量。在这项工作中,我们提出了Floquet哈密顿学习重建实验实现Floquet哈密顿订单的Trotter步骤。该过程是有效的,即,它需要大量与系统大小呈多项式关系的测量,并且可以在最先进的实验中轻松实现。通过数值例子,我们提出了我们的方法在量子设备验证的背景下的几个应用:从数字量子模拟器中的不同误差源的表征,以确定设备的最佳操作制度。我们表明,我们的协议提供了反馈回路的设计和校准的新型量子门的基础。此外,它可以扩展到非幺正动力学的情况下,并用于学习Floquet Liouvillians,从而提供了一种表征NISQ量子器件中存在的耗散过程的方法。
2022-07-13 cond-mat.quant-gas quant-ph
Digital adiabatic evolution is universally accurate
本研究证明数字绝热演化对模拟误差具有内在鲁棒性且误差不随时间累积,通过分析Trotterization和广义量子信号处理方法,结合数值模拟证实其效率远超预期,为量子平台上的准确高效实现奠定基础。
2025-10-14 quant-ph
Nonadiabatic Self-Healing of Trotter Errors in Digitized Counterdiabatic Dynamics
Università degli Studi di Napoli “Federico II”(那不勒斯费德里科二世大学);Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC)(马德里材料科学研究所(西班牙国家研究委员会));University of the Basque Country UPV/EHU(巴斯克地区大学)
研究在有限时间下,通过逆绝热驱动补偿非绝热错误后,数字化量子动力学中的Trotter错误仍能自愈,揭示了相位抵消机制,并提供了有限时间缩放分析。
2026-06-15 quant-ph
Digital Quantum Simulation, Learning of the Floquet Hamiltonian, and Quantum Chaos of the Kicked Top
踢顶模型是量子混沌研究中的一个典型模型。Haake等人,\emph{Quantum Signatures of Chaos (Springer Series in Synergetics vol 54)}(2018)]。最近的研究表明,在集体自旋系统的数字量子模拟(DQS)中,踢陀螺中量子混沌的发生可能与Trotter误差的扩散有关。具体而言,扩散的特罗特错误变得明显的期望值的少数机构观测强烈偏离目标动态以上的关键特罗特步骤,其中的Floquet运营商的踢顶的谱统计可以预测随机矩阵理论。在这项工作中,我们研究这些现象的框架内的哈密顿学习(HL)。我们展示了如何最近开发的哈密顿学习协议可以用来重建频闪动力学的发生器,即,Floquet Hamiltonian,of the kicked踢top顶部.我们进一步展示了如何扩散的Trotter错误揭示HL过渡到一个政权,在该政权中的动态不能近似描述的低阶截断的Floquet-Magnus扩展。这开辟了新的实验的可能性,分析特罗特错误的水平上的发电机的实施动力学,可以推广到量子多体系统的DQS在一个可扩展的方式。这篇论文是为了纪念我们的同事和朋友弗里茨·哈克。
2022-08-29 quant-ph
Quantum localization bounds Trotter errors in digital quantum simulation
数字量子模拟(DQS)中的一个基本挑战是固有误差的控制。当将量子多体系统的哈密顿量产生的时间演化离散化为一系列量子门时,这些会出现,称为Trotterization。在这里,我们表明,量子局域化,通过量子干涉约束的时间演化,强烈约束这些本地观测误差。因此,对于一般的量子多体哈密顿,特罗特误差可以变得与系统大小和总模拟时间无关。因此,对于局部可观测量,DQS本质上比人们从全局多体波函数上的已知误差界所期望的要鲁棒得多。这种鲁棒性的特征在于作为Trotter步长的函数的尖锐阈值。该阈值将具有可控Trotter误差的常规区域(其中系统在时间演化算子的本征态空间中表现出局部化)与轨道在整个希尔伯特空间中快速扰乱的量子混沌区域分开。我们的研究结果表明,DQS与比较大的特罗特步骤可以保留控制特罗特误差的本地观测。因此,可以减少忠实地表示期望的时间演化所需的量子门操作的数量,从而减轻不完美的各个门操作的影响
2020-05-04 cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech quant-ph
Integrable Digital Quantum Simulation: Generalized Gibbs Ensembles and Trotter Transitions
本文研究了可积数字量子模拟中的Trotter相变,发现系统不会加热至无限温度,且其晚期动力学由离散广义吉布斯系综(dGGE)描述,且在阈值处发生新型新型Trotter相变,表现为局部非零交错磁化化。出现。
2023-06-24 cond-mat.stat-mech quant-ph
Experimental simulation of open quantum system dynamics via Trotterization
数字量子模拟器为解决具有复杂哈密顿量的量子系统的演化问题提供了一种多样化的工具,具有广泛的应用潜力。虽然人们对封闭量子系统的幺正演化给予了很大的关注,但耗散和噪声对于理解实际量子系统的动力学是至关重要的。在这项工作中,我们实验证明了一个数字模拟的开放量子系统在可控的马尔可夫环境的辅助下,一个单一的辅助量子比特。通过对量子Liouvillians的Trotterizing,有效地实现了开放量子系统的连续演化,并通过调节模拟噪声强度,展示了其在误差抑制中的应用.高阶Trotter的开放量子动力学也进行了实验研究,并显示出更高的精度。我们的结果代表了一个重要的一步,硬件有效的模拟开放量子系统和错误减轻量子算法在噪声中等规模的量子系统。
2021-08-05 quant-ph
Digital quantum state preparation by nucleation
Michigan State University(密歇根州立大学);University of Oslo(奥斯陆大学)
提出一种受成核启发的数字量子态制备方法,通过小晶格基态和Trotter化绝热增长制备大晶格态,并引入变分优化,在二维Ising模型上优于现有方法。
2026-09-30 quant-ph
Practicality of quantum adiabatic algorithm for chemistry applications
针对绝热态制备门数高且离散化导致升温的问题,本文采用无升温、低门数的随机精确绝热演化算法,并提出三种抗噪能量测量方法,在真实门噪声下于4量子比特分子上实现无需误差缓解的化学精度结果。
2024-07-13 quant-ph
Adiabatic quantum algorithm for artificial graphene
我们设计了一个量子电路算法来求解人造石墨烯的基态和基态能量。该算法实现了从纯紧束缚哈密顿量到包含动力学、自旋轨道和库仑项的哈密顿量的Trotterized绝热演化。初始状态是有效地获得使用高斯态的准备,而读出的地面能量被组织成十七组测量,无论问题的大小。相应的量子线路的总深度与系统的大小成多项式关系。一个完整的模拟的算法进行,并获得地面能量与多达四个六边形的晶格。我们的结果是基准与精确对角化的系统与一个和两个六边形。对于较大的系统,我们使用精确的状态向量和近似矩阵乘积状态模拟技术。后者允许系统地权衡精度与内存,因此可以处理更大的系统。我们分析了绝热和Trotterization错误,提供了一个有限的精度的最佳周期和时间离散的估计。在大系统的情况下,我们也研究近似误差。
2022-04-06 quant-ph
Global sensitivity analysis for optimization of the Trotter-Suzuki decomposition
Trotter-Suzuki分解是在数字量子计算机上实现量子模拟的主要方法之一。基于方差的全局灵敏度分析(Sobol方法)是一种广泛使用的方法,其允许将数学模型的输出方差分解成分配给模型的输入或输入集合中的不同不确定性来源的分数。在这里,我们开发了一种方法的应用程序的全局灵敏度分析的优化Trotter-Suzuki分解。我们展示了一个概念验证的例子,这种方法可以减少分解中的指数运算的数量,并提供了一种定量的方法来寻找和截断系统哈密顿量中的“不重要”项。
2021-01-09 quant-ph
Alternative adiabatic quantum dynamics with algorithmic applications
Centre for Quantum Information and Communication (QuIC), École polytechnique de Bruxelles, Université libre de Bruxelles(布鲁塞尔自由大学布魯塞爾理工學院量子信息與通信中心);Laboratoire Bordelais de Recherche en Informatique (LaBRI), Université de Bordeaux(波尔多大学波尔多計算機研究實驗室)
提出多种可在基于门的量子计算机上实现的替代绝热过程,并应用于量子线性系统问题,实现条件数最优缩放。
2026-05-28 quant-ph
First- and Second-Order Digital Quantum Simulation of Three-Level Jaynes-Cummings Dynamics on Superconducting Quantum Processors
Amrita Vishwa Vidyapeetham(阿弥塔大学);Deakin University(迪肯大学)
本文通过数字量子模拟在超导量子处理器上实现三能级Jaynes-Cummings动力学,利用校准门操作和噪声意识电路设计提高模拟精度。
2026-02-24 quant-ph
Quantum Chaos and Universal Trotterisation Behaviours in Digital Quantum Simulations
本研究通过实验可实现的Trotter化模型,揭示了量子混沌动态导致Trotter化性能崩溃,并展示了预阈值区域中不同准周期性性能行为的统一图景。
2025-10-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.quant-gas quant-ph
Lower Bounds for the Trotter Error
针对Trotter乘积公式模拟量子不对易算符时最小误差未知、上界常严重高估的问题,本文提出范数和态层面的显式Trotter误差下界,可推导最低资源需求,数值验证其估计准确紧致。
2024-10-04 quant-ph
Spectral Analysis of Product Formulas for Quantum Simulation
我们认为哈密顿模拟使用一阶Lie-Trotter产品公式的假设下,初始状态具有高重叠的能量本征态,或本征态的集合在一个狭窄的能带。这个假设是由量子相位估计(QPE)和数字绝热模拟(DAS)。治疗有效的哈密顿产生Trotterized时间演化,使用严格的微扰方法,我们表明,Trotter步长需要估计的能量特征值在精度$ε$使用QPE可以提高在缩放从$ε$到$ε^{1/2}$的一大类系统(包括任何哈密顿可以分解为本地项或交换层,每个都有实值矩阵元素的总和)。对于DAS,我们提高了渐近缩放的Trotter错误与门的总数$M$从$\mathcal{O}(M^{-1})$到$\mathcal{O}(M^{-2})$,并为任何固定的电路深度,我们计算一个近似的最佳步长,平衡的错误贡献Trotterization和绝热近似。这些结果部分推广到非绝热过程,这仍然是在一个狭窄的能量带与其余的光谱分开的间隙,从而有助于解释所观察到的相似性之间的量子近似优化算法和非绝热量子退火在小系统尺寸。我们的分析依赖于本征向量以及本征值的扰动,并使用状态保真度量化误差(而不是对整体全局相位敏感的酉差分的矩阵范数)。
2021-02-25 quant-ph
Effects of gate errors in digital quantum simulations of fermionic systems
数字量子模拟为研究费米子系统(如分子或晶格模型)提供了令人兴奋的前景。然而,由于量子纠错仍然是目前技术无法达到的,非零错误率是不可避免的。我们研究了门误差对量子系统时间演化的影响,重点是费米哈伯德模型。具体来说,我们考虑的随机过度旋转的影响,在应用门。取决于所实现的特定算法,这样的门误差可能导致对应于无序费米子系统的时间演化,或者它们可能对应于非物理误差,例如,违反粒子数守恒定律。我们证实了我们的分析模型系统的数值模拟。此外,我们还建立了在Trotterized量子模拟中门保真度与过旋转强度之间的关系。在此基础上,我们提供的最大数量的Trotter步骤,可以执行足够的精度为一个给定的算法的估计。这反过来意味着,除了对模拟的最大时间的明显限制之外,还对可以处理的系统大小进行限制。
2018-04-18 quant-ph
State Preparation in the Heisenberg Model through Adiabatic Spiraling
提出用于 Heisenberg 模型的绝热螺旋态制备方法,证明其适配多种量子硬件,并在小系统模拟中优于 Trotter 化绝热演化。
2023-06-01 cond-mat.quant-gas hep-lat nucl-th
Assessment of various Hamiltonian partitionings for the electronic structure problem on a quantum computer using the Trotter approximation
本研究针对量子计算机上电子结构问题的Trotter化求解,评估了费米子与量子比特代数两类哈密顿量划分技术,发现前者利用对称性可降误差但T门更多、计算成本更高。
2023-08-07 quant-ph
Benchmarking a heuristic Floquet adiabatic algorithm for the Max-Cut problem
本文提出用固定有限 Trotter 步实现 Floquet 绝热演化以求解 Max-Cut,显著降低门数量,并通过 matrix-product-state 模拟验证其在 3-正则图上的性能与资源需求。
2024-04-24 quant-ph
Trotterisation Thresholds and Dissipative Quantum Chaos in Open-System Digital Quantum Simulation
University of Technology Sydney(悉尼科技大学);Sydney Quantum Academy(悉尼量子学院);University of Innsbruck(因斯布鲁克大学);PlanQC GmbH(PlanQC有限公司);Quantinuum
本研究证明开放系统数字量子模拟中Trotter化阈值依然存在,并基于随机矩阵理论提出统计方法表征耗散量子混沌,揭示耗散与酉混沌平衡时混沌涌现。
2026-09-29 cond-mat.mes-hall nlin.CD quant-ph
Validity condition for high-fidelity Digitized Quantum Annealing
本研究为高保真数字化量子退火建立效性条件,基于Suzuki-Trotter分解提出数字化绝热定理,解释非绝热误差与电路块数标度,并示例验证于两量子比特精确覆盖和21的绝热分解。
2025-02-05 quant-ph
Improved Accuracy for Trotter Simulations Using Chebyshev Interpolation
本文提出利用切比雪夫多项式插值将 Trotter 化模拟结果外推至零步长,以抑制算法误差,并证明该方法在本征值和期望值估计中可在多对数因子内达到海森堡极限。
2024-02-22 quant-ph
Investigating the Exchange of Ising Chains on a Digital Quantum Computer
伊辛链的铁磁态可以表示一个双重简并子空间或等效的一个逻辑量子比特,它被一个能隙保护免受激发。我们通过量子比特子空间中的态的运动研究了一种类似于Kitaev链中局域边缘模的编织交换操作。该系统由两个伊辛链在一个1D的几何形状,其中的操作是通过绝热的时间演化的基态模拟。使用IBM的Aer QASM模拟器,通过Suzuki-Trotter展开在基本的单量子位和双量子位量子门上实现时间演化。系统的保真度的演变和系统参数的函数,以获得最佳的效率和精度为不同的系统尺寸进行了研究。实现的各个方面,包括电路深度,Trotterization错误,和量子门错误有关的噪声中间尺度量子(NISQ)硬件进行了讨论。我们表明,量子门的错误,即位翻转,相位误差,是决定系统的保真度的主要因素,因为Trotter错误和绝热条件的限制性较小,即使是适度的Trotter时间步长的值。我们达到了最佳的保真度$>99\%$系统上的$11$网站每伊辛链,并发现一个单一的编织类操作的保真度以上$90\%$的最有效的实施需要一个电路深度的顺序$\sim 10^{3}$限制个别门错误小于$\sim 10^{-6}$,这是禁止在目前的NISQ硬件。
2021-03-09 quant-ph
Quantum simulation of many-body dynamics with noise-robust Trotter decomposition based on symmetric structures
本文提出基于对称结构的抗噪声鲁棒Trotter分解方法,通过减少CNOT操作和残差误差,提升近期量子设备上多体动力学模拟的保真度。
2025-12-14 quant-ph
Digital three-state adiabatic passage
我们探讨三态绝热通道的隧道矩阵元素是数字变化的协议,而不是平滑的情况下,与传统的绝热通道。特别是,我们专注于STIRAP和相关的三态方案,其中控制是逐步应用的,与隧道矩阵元素或均匀的脉冲长度的间隔相等的水平。我们的研究结果表明,演化通常显示出传统的绝热通道的标志,虽然与额外的共振表现出没有状态转移。
2013-05-17 quant-ph
Noise structuring in fixed-depth Trotter simulation: stationary channels and observable-level depolarization
Dukhov Research Institute of Automatics (VNIIA)(杜霍夫自动学研究所);Moscow Institute of Physics and Technology(莫斯科物理技术学院);Institute for Theoretical and Applied Electrodynamics, Russian Academy of Sciences(俄罗斯科学院理论与应用电动力学研究所)
研究固定深度 Trotter 模拟构建硬件噪声的方法,通过选择层数使噪声剂量与端点时间无关,分析局部随机故障下噪声电路特性,揭示可观测量级退极化及相关结果,还指出朴素零噪声外推策略的局限性。
2026-10-19 quant-ph
Exact Trotterization in the Degenerate Quantum Rabi Model
University of the Basque Country UPV/EHU(巴斯克大学);EHU Quantum Center, University of the Basque Country UPV/EHU(巴斯克大学 EHU 量子中心)
该研究在简并极限下精确刻画了深强耦合量子拉比模型的Trotter化误差,发现轨迹几何重整化并可用复振幅无额外成本校正,为一般模型提供基准。
2026-10-06 quant-ph
High-fidelity adiabatic quantum computation using the intrinsic Hamiltonian of a spin system: Application to the experimental factorization of 291311
在先前使用自旋系统的绝热量子算法的实现中,通常采用具有Trotter公式的平均哈密顿量方法来生成模拟绝热通道的有效瞬时哈密顿量。然而,这种方法在有效哈密顿量的精度和演化的绝热性方面存在问题。为了解决这些问题,我们在这里提出并实验证明了一种新的绝热量子计算方案,通过使用一个现实的自旋系统的固有哈密顿量来表示问题的哈密顿量,同时通过电磁脉冲直接诱导的非固有哈密顿量来驱动系统。与传统方法相比,我们观察到我们的方法的两个优点:改进的易于实现和更高的保真度。作为我们方法的一个展示例子,我们实验性地因子化291311,这比任何其他已知的量子因子化都要大。
2017-06-25 quant-ph
Exponential optimization of adiabatic quantum-state preparation
针对量子态制备门数随问题规模指数增长的问题,本文基于绝热定理解析特征时间与 Hamiltonian 的关系,并设计预处理项缩短绝热制备时间,从而实现指数级加速。
2025-01-11 quant-ph
Optimising Trotter-Suzuki Simulations of Markovian Open Quantum Systems via Classical Search
University of KwaZulu-Natal(夸祖鲁-纳塔尔大学);National Institute for Theoretical and Computational Sciences (NITheCS)(国家理论与计算科学研究所);Stellenbosch University(斯泰伦博斯大学)
该研究针对马尔可夫开放量子系统的Trotter-Suzuki模拟,推导了TS-PF的解析界,提出结合二分搜索与diamond范数估计的经典算法,通过数值实验验证二阶随机TS-PF资源效率更高,优化了模拟所需的Trotter步数。
2026-07-30 quant-ph
Simulating spin biology using a digital quantum computer: Prospects on a near-term quantum hardware emulator
本研究利用Trotter化将自由基对自旋动力学映射到数字量子模拟,验证了与主方程的一致性,并评估了噪声影响,为生物自旋系统的量子模拟奠定基础。
2024-06-18 physics.bio-ph quant-ph
Term Grouping and Travelling Salesperson for Digital Quantum Simulation
通过计算哈密顿量的时间演化来进行量子动力学的数字模拟是量子计算最初提出的应用。然而,仿真哈密顿量的完整第二量子化形式所需的大量量子门使得这样的方法不适合于具有有限的导致高物理误差的门重复性的近期器件。此外,由非交换项引起的Trotter误差会累积并损害整个电路的保真度,从而导致算法误差。在本文中,我们提出了一个新的术语排序策略,最大通勤TSP(MCTSP),同时减轻算法和物理错误。首先,我们提高了Trotter保真度与以前提出的优化相比,通过重新排序泡利条款,并将它们划分为交换家庭。我们证明了这种方法的实用性,通过构建和评估量子线路,模拟不同的分子哈密顿,以及理论解释的保真度改善,从我们的长期分组方法。其次,我们描述了一种新的门取消技术,减少了高的门数制定的门取消问题作为一个旅行销售人员的问题,连同基准测试实验。最后,我们还提供了基准测试结果,证明了最大-通勤-TSP的综合优势,以减轻物理和算法的错误,通过量子线路模拟现实的噪声模型。
2021-03-12 quant-ph
Digital quantum simulation of many-body non-Markovian dynamics
提出了一种对多体局部不可分非马尔可夫开放量子系统进行数字量子模拟的算法方法。它由两部分组成:首先,将全局系统传播子Suzuki-Lie-Trotter分解为子系统传播子的乘积,子系统传播子可以不是量子信道,其次,通过扩张空间上的酉操作和测量实现子系统传播子的算法过程。通过对相关的Suzuki-Lie-Trotter分解提供严格的误差界,我们能够分析该方法的效率,并将其与系统的局部不可分性的适当度量相联系。根据我们的分析,所提出的方法有望在实验上实现各种有趣的情况下。
2016-08-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
State-dependent Trotter Limits and their approximations
本文研究量子模拟中连续自由度的离散化问题,通过建立状态依赖Trotter误差的显式上界,给出了保证近似离散化物理有效性的充分条件。
2024-02-28 math-ph math.MP quant-ph
Digital-Analog Quantum Simulations Using The Cross-Resonance Effect
数字模拟量子计算旨在通过用由系统的底层哈密顿量生成的幺正变换替换单量子比特和双量子比特门的序列来减少近期量子信息处理所需的当前不可行的资源需求。受这种范式的启发,我们考虑超导体系结构和扩展的交叉共振效应,在微扰理论的一阶,从一个两个量子位相互作用的模拟哈密顿作用在一维链和二维正方形晶格,在一个适当的参考系,结果在一个纯粹的两个本地哈密顿。通过用单量子比特门来增强模拟哈密顿动力学,我们展示了如何生成更大种类的不同模拟哈密顿。然后,我们合成酉序列,其中我们根据需要在各种模拟哈密顿之间切换,模拟伊辛,$XY$和海森堡自旋模型的动力学。我们的动力学模拟是特罗特误差的伊辛和$XY$模型在1D。我们还表明,2D $XY$和1D海森堡链的特罗特误差减少,相对于数字分解,由一个常数因子。为了实现这些重要的近期加速,我们讨论了需要准确地表征和校准我们的模拟哈密顿量用于量子模拟的实际考虑。最后,我们讨论了如何可以扩展的哈密顿切换技术,以获得新的模拟哈密顿,这可能是使用更复杂的数字-模拟量子模拟的各种模型的相互作用的自旋。
2021-06-02 quant-ph
Resource-efficient digital quantum simulation of $d$-level systems for photonic, vibrational, and spin-$s$ Hamiltonians
量子系统的模拟被认为是量子计算最重要的应用之一,迄今为止,大部分理论工作都集中在费米和自旋$\frac{1}{2}$系统上。在这里,我们考虑将$d$级(即qudit)量子算符编码为多量子比特算符,研究通过Trotterization近似算符指数的资源需求。我们主要集中在自旋- $s$和截断玻色子算子在第二次量化,观察理想的性质的方法的基础上的格雷码,据我们所知,还没有在这种情况下使用以前。在概述了实现任意编码的方法之后,我们研究了汉明距离、稀疏模式、玻色子截断和局部算子的其他属性之间的相互作用。最后,我们获得了五个常见的哈密顿类在物理和化学中使用的资源计数,同时建模的可能性之间转换的编码在一个特罗特步骤。最有效的编码选择在很大程度上取决于应用,并且对$d$高度敏感,尽管存在明显的趋势。这些操作计数的减少与在近期量子硬件上运行算法有关,因为节省有效地减少了所需的电路深度。在这项工作中概述的结果和程序可能是有用的模拟一个广泛的类的哈密顿量基于量子位的数字量子计算机。
2020-07-16 quant-ph
Large time-step discretisation of adiabatic quantum dynamics
本文研究绝热量子计算数字化模拟的离散化开销,证明可采用独立于误差和演化时间的大均匀步长,并在边界消除条件下使一阶 Trotter 呈指数收敛;用于无结构搜索可达到 Grover 下界且无需预知标记态数量。
2025-08-29 cs.NA math.NA quant-ph
Filter-enhanced adiabatic quantum computing on a digital quantum processor
针对当前量子计算机实现本征态滤波器面临的电路深度大、成功概率低的问题,提出在滤波器前添加数字化绝热量子计算的策略,通过数值模拟和Quantinuum H1-1实验验证,显著提升了典型量子自旋模型的基态精度。
2025-08-25 quant-ph
Breaking Adiabatic Quantum Control with Deep Learning
在数字量子计算时代,最佳数字化脉冲是有效量子控制的必要条件。这个目标被转化为动态规划,其中有一个深度强化学习(DRL)代理。作为参考,绝热性(STA)的捷径提供了分析方法,绝热加速脉冲控制。在这里,我们选择量子位的单分量控制,类似于门操作的普遍存在的两级朗道-齐纳问题。我们的目标是通过结合STA和DRL算法获得快速和鲁棒的数字脉冲。特别是,我们发现,DRL导致强大的数字量子控制的操作时间由STA规定的量子速度限制。此外,我们证明了对系统误差的鲁棒性可以通过DRL实现,而无需STA的任何输入。我们的结果介绍了一个数字量子控制的一般框架,导致一个有前途的增强量子信息处理。
2020-09-09 quant-ph
A diagrammatic approach to variational quantum ansatz construction
变分量子本征求解器(VQE)是一类很有前途的量子算法,用于制备近场量子器件中的近似基态。最小化这种近似中的误差需要使用针对所研究系统的物理考虑来设计ansatzes。一个这样的考虑是尺寸扩展性,这意味着基态量子相关性将被紧凑地表示在图中。然而,在数字量子计算机上,尺寸广泛的ansatzes通常需要通过Trotter-Suzuki方法进行扩展。这些都会给近似值带来额外的成本和误差。在这项工作中,我们提出了一个数字VQE ansatzes,这是规模广泛,但不依赖于Trotterization的图解计划。我们首先设计了一个数字ansatzes,探索整个希尔伯特空间的自由参数的最小数量的家庭。然后,我们演示了如何可以压缩任意的数字anomalies,通过强制执行目标系统的对称性约束,或通过使用它们作为父ansatzes越来越长,但越来越准确的子ansatzes的层次结构。我们应用微扰分析,并制定了一个图解形式主义,确保生成的层次结构的大小扩展性。我们测试我们的方法在一个短的自旋链,发现良好的收敛到基态的顺磁和铁磁相的横向场伊辛模型。
2021-11-25 quant-ph
Digital Waveguide Adiabatic Passage Part 1: Theory
空间绝热通道是设计集成光子器件的一种新途径。在传统的绝热通道设计中,需要平滑变化的波导间隔。在这里,我们展示了绝热通道设备的建模,其中波导分离是数字变化的。尽管数字化,我们的设计显示出鲁棒性对输入波长的变化和折射率的波导相对于包层的对比度。这种空间绝热通道的方法开辟了新的设计策略,因此具有新的光子器件的潜力。
2016-09-12 physics.optics 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
Quantum error reduction with deep neural network applied at the post-processing stage
深度神经网络(DNN)可以应用于后处理阶段,以改善噪声中间尺度量子(NISQ)处理器上的量子计算结果。在这里,我们提出了一种基于这一思想的方法,该方法最适合于以由Trotter台阶组成的量子线路的周期性结构为特征的数字量子模拟。我们的方法的一个关键因素是,它不需要任何数据从一个经典的模拟器在训练阶段。该网络被训练成将从具有人为增加的Trotter步骤数(噪声水平)的量子硬件获得的数据转换为在没有这种增加的情况下获得的数据。额外的Trotter步骤是虚构的,即,它们包含可忽略的小旋转,并且在没有硬件缺陷的情况下,基本上减少到恒等门。这在训练阶段保留了关于相关量子线路特征的信息。两个特定的例子被认为是横向场伊辛链和XY自旋链,这是实现在两个真正的五量子位IBM Q处理器的动力学。一个显着的错误减少被证明作为DNN应用程序的结果,使我们能够有效地增加量子线路的深度方面的特罗特步骤。
2022-09-08 quant-ph
Error-mitigated deep-circuit quantum simulation of open systems: steady state and relaxation rate problems
深电路量子计算,如肖尔的算法,是由错误积累破坏,不久的将来量子技术是远远不够的成熟的量子纠错。最近的理论研究表明,只要考虑局部可观测量,封闭量子系统的数字量子模拟(DQS)就可以抵抗Trotter误差的积累,而不是诉诸浅电路量子算法。本文研究了开放量子系统的数字量子模拟。首先,我们证明了从数字量子模拟中获得的稳态偏差仅取决于单个Trotter步骤中的误差,这表明误差积累可能不是灾难性的。通过对耗散XYZ模型DQS的量子线路的数值模拟,我们证明了只要DQS中的错误率低于一个尖锐的阈值,就可以通过量子错误减轻来恢复正确的结果。我们通过耗散驱动的量子相变的存在来解释这种阈值行为。最后,我们提出了一种新的基于量子相变临界点附近的标度行为的误差抑制技术。我们的研究结果扩展了不久的将来可用的量子算法的领域,并激发了实际量子应用中的进一步理论和实验努力。
2023-03-12 quant-ph
Digital Waveguide Adiabatic Passage Part 2: Experiment
利用飞秒激光写入技术,我们制作并封装了三波导数字绝热通道器件,将中心波导数字化为五个分立波导。观察到强烈的不对称行为,设备在反直觉方案中以高保真度操作,而在直觉方案中强烈抑制传输。数字绝热通道设计的低差分损耗潜在地为基于绝热通道的装置提供附加功能。这些器件在以$\sim 823$ nm为中心的60 nm带宽上以高对比度($>\!90\%$)工作。
2016-09-12 physics.optics quant-ph
Quantum algorithm for simulating non-adiabatic dynamics at metallic surfaces
Xanadu;University of Toronto(多伦多大学)
本研究提出了一种量子算法,用于高效模拟分子-金属界面的非绝热动力学,展示了其在现实模型系统中的低实现成本和应用潜力。
2026-02-26 quant-ph
Simulating prethermalization using near-term quantum computers
本文提出一种在近期量子计算机上利用粗略 Trotter 分解和存活概率误差缓解方案模拟预热化的实验协议,并在二维 XY 模型上验证了其实现量子优势的可行性。
2023-03-15 quant-ph
Fast digital methods for adiabatic state preparation
在基于门的量子计算机上提出了一种绝热态制备的量子算法,其逆误差复杂度为多对数。我们的算法数字模拟两个自伴算子$H_0$和$H_1$之间的绝热演化,指数抑制非绝热误差利用准绝热延拓的理论概念作为算法工具。给定$\|H_0\|$和$\|H_1\|$的上界$α$以及$H(s) \equiv (1-s)H_0 + sH_1$的第$k$个本征态$|ψ_k(s)\rangle$与频谱的其余部分分开至少$s \in [0,1]$的间隙的承诺,该算法实现算子$\widetilde{U}$,使得$\||ψ_k(1)\rangle - \widetilde{U}|ψ_k(s)\rangle\| \leq ε$使用$O(α^2/γ^2)\text{polylog}(α/γε)$查询$H_0$和$H_1$的块编码。此外,我们开发了一种算法,仅适用于基态,需要多次查询的甲骨文,准备$|ψ_0(0)\rangle$,但在所有参数的规模稍好。我们还表明,这两种算法的成本可以进一步降低在某些合理的条件下,如当$\|H_1 - H_0\|$是小相比,$α$,或当更多的信息$H(s)$的差距是可用的。对于某些问题,缩放甚至可以在$\|H_1 - H_0\|/γ$中改进为线性,直到多对数因子。
2022-03-02 quant-ph
Grover Search Inspired Alternating Operator Ansatz of Quantum Approximate Optimization Algorithm for Search Problems
该研究利用绝热量子搜索与绝热量子计算的框架映射,通过对绝热量子搜索的含调度哈密顿量做Trotter化得到QAOA的变分参数,无需迭代机器学习即可将Grover搜索的最优性能迁移至QAOA框架。
2023-04-28 quant-ph
Measuring Trotter error and its application to precision-guaranteed Hamiltonian simulations
本研究提出一种结合不同阶Trotter化、无需辅助量子比特的Trotter误差测量方法,构建了精度保证的Trotter$(m,n)$算法,可自适应选步长保持电路最浅,在自旋链测试中步长约为传统误差界推断值的十倍。
2024-07-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el hep-lat