Simulating chemistry using quantum computers
量子化学家们都知道模拟量子系统的困难，这促使了量子计算的想法。人们可以通过将量子系统映射到另一个更可控的系统，来避免在传统计算机上精确模拟越来越大的量子系统所带来的急剧缩放。在这篇综述中，我们讨论了量子计算的思想在多大程度上已经被应用于化学问题。我们描述的算法，实现电子结构问题的显着优势，化学动力学模拟，蛋白质折叠，和其他任务。虽然理论仍然领先于实验，我们概述了最近的进展，导致了小型量子信息处理器上的第一个化学计算。
2010-07-15 quant-ph
Simulating the flight gate assignment problem on a trapped ion quantum computer
本文在IonQ Aria囚禁离子量子计算机上使用VQE和CVaR求解航班登机口分配问题，通过小规模完整运行和大规模推理实验证明当前及近期量子硬件能以高概率获得良好解。
2023-09-18 quant-ph
Simulating the Effect of Decoherence and Inaccuracies on a Quantum Computer
量子计算机是一种新型计算机，可以非常有效地解决诸如因子分解和数据库搜索等问题。量子计算机的实用性受到两种不同类型的误差的影响，退相干和不准确。在本文中，我们显示的量子计算机，同时考虑退相干和不准确的模拟结果。我们模拟电路的因素的数字15，21，35和57以及电路使用数据库搜索来解决电路满意度问题。我们的模拟表明，对于一台噪声保持在π/4096以下且退相干率为10 ^-6的俘获离子量子计算机，其每门的错误率约为10 ^-6。这是一个重要的界限，因为之前的研究已经表明，如果错误率为10^-6量级，量子计算机可以比经典计算机更有效地进行因子分解。
1998-04-16 quant-ph
Simulating groundstate and dynamical quantum phase transitions on a superconducting quantum computer
我们在超导量子器件上优化了一个量子不变的、顺序的量子线路，通过量子临界点模拟了量子伊辛模型的基态。我们进一步展示了如何在这个模型的量子临界点的猝灭中发现的动态量子临界点可以被模拟。我们的方法避免了有限尺寸标度的影响，通过使用顺序的量子线路的启发无限矩阵乘积状态。我们提供高效的电路和各种错误缓解策略来实现，优化和时间演变这些状态。
2022-05-25 quant-ph
Quantum flow algorithms for simulating many-body systems on quantum computers
本文提出量子流（QFlow）算法，通过降维活性空间中的耦合特征值问题采样希尔伯特空间，在保持恒定电路深度和量子比特数的同时显著降低电路复杂度并优化波函数参数数量。
2023-08-08 quant-ph
Entanglement in quantum computers described by the XXZ model with defects
我们研究了如何在具有缺陷的XXZ模型的哈密顿系统中产生最大纠缠态。一些提出的量子计算机就是用这样的模型来描述的。我们展示了当考虑一个或两个激发时，如何使用缺陷来获得EPR态和W态。
2003-03-26 quant-ph
Simulating lattice gauge theories on a quantum computer
我们研究了在通用量子计算机上模拟格点规范理论的问题。我们的方法的基本策略是将格点规范理论的哈密顿公式转换成只涉及泡利自旋算符的哈密顿，这样的模拟可以在量子计算机上进行，只使用一个和两个量子比特的操作。我们研究了三种模型，U（1），SU（2）和SU（3）格点规范理论，它们被转换成格点上规范场的希尔伯特空间中截止的自旋哈密顿量。发现存储特定状态所需的量子比特的数量与晶格位置的总数具有线性依赖性。根据量子计算机中量子比特的排列，执行对应于哈密顿量的时间演化所需的量子比特操作的数量在晶格位置数量的线性到二次函数之间。我们注意到，我们的结果也可以很容易地推广到更高的SU（N）规范理论。
2005-10-04 quant-ph
Models to Reduce the Complexity of Simulating a Quantum Computer
最近，量子计算产生了很多的兴趣，由于发现了量子算法，可以因子在多项式时间的大数字。量子计算机的实用性受到误差影响的限制。模拟是确定量子计算机在存在错误的情况下的可行性的有用工具。可以模拟的量子计算机的大小很小，因为忠实地建模量子计算机需要指数级的存储量和运算次数。在本文中，我们定义仿真模型来研究量子计算机的可行性。这些模型中最详细的是直接基于建议的实现。我们还定义了不太详细的模型，这些模型的复杂性呈指数级降低，但仍然产生准确的结果。最后，我们表明，两种不同类型的错误，退相干和不准确，是不相关的。这减少了必须执行的模拟的数量。
1997-12-02 quant-ph
An algorithm for simulating the Ising model on a type-II quantum computer
本文提出了一种II型量子计算机的算法，它在一维和二维中模拟了伊辛模型。它等效于Metropolis Monte-Carlo方法，并利用量子叠加产生随机数。该算法不需要在每次迭代结束时测量状态的集合，这是其他II型算法所需的。在每个节点处仅测量二进制结果，这意味着该算法可以使用一系列不同的量子计算架构来实现。伊辛模型提供了一个例子，说明如何用公式表达元胞自动机规则，使其在II型量子计算机上运行。
2004-04-26 quant-ph
A novel approach to noisy gates for simulating quantum computers
本文提出通过修改无噪声门构造可纳入环境效应的噪声门，以更准确模拟 NISQ 量子计算机，并在最多18量子比特实验中优于 Qiskit。
2023-09-20 quant-ph
Modelling and Simulating the Noisy Behaviour of Near-term Quantum Computers
噪声在近期量子计算机的各个方面都占主导地位，使得即使是很小的计算也非常困难。在本文中，我们关注的是噪声中尺度量子计算机（NISQ）的噪声建模。我们专注于三个错误组，代表在计算过程中的噪声的主要来源，并提出量子信道，每个源模型。我们设计了一个噪声模型，结合了所有三个噪声通道，并使用其校准的错误率模拟量子计算机的演变。我们对我们的模型进行了各种实验，展示了与其他噪声模型和IBM量子计算机相比的行为。我们发现，我们的模型提供了一个更好的近似量子计算机的行为比其他模型。在此之后，我们使用遗传算法来优化我们的噪声模型所使用的参数，使模型的行为更接近量子计算机。最后，前和postoptimization参数之间的比较表明，根据我们的模型，某些操作可以或多或少的错误比硬件校准的参数显示。
2021-12-06 quant-ph
Simulating the Transverse Ising Model on a Quantum Computer: Error Correction with the Surface Code
基于容错量子计算机的表面码实现，对一维量子横截面伊辛模型（TIM）基态能量的量子模拟所需的资源进行了估算.表面码方法具有已知最高的可容忍错误率（1%）之一，这使其成为目前最实用的量子计算方案之一。与使用级联Steane码的相同模型的结果相比，当前的结果表明，模拟时间是相当的，但是表面码的物理量子比特的数量比级联码的大2-3个数量级。考虑到表面码的错误阈值要求比级联码高四个数量级，考虑到当前的物理硬件能力，构建具有表面码实现的量子计算机似乎更有希望。
2013-03-29 quant-ph
Simulating Quantum Computers Using OpenCL
量子计算是一项新兴技术，有望实现计算模式的转变，并允许在许多不同的问题中加速。然而，量子设备仍处于早期阶段，大多数只有少量量子比特。这依赖于模拟来开发量子算法并验证这些设备。虽然存在许多用于量子线路仿真的算法，但是（在撰写本文时）没有使用OpenCL来并行化该仿真的工具，从而在保持便携性的同时利用诸如GPU之类的设备。在本文中，这样的工具，包括优化领域，如门应用。这导致了一种新的方法，优于其他流行的基于状态向量的模拟器。所提出的模拟器的实现可在https://qcgpu.github.io上获得。
2018-11-07 quant-ph
Simulating quantum chemistry in the seniority-zero space on qubit-based quantum computers
精确的量子化学模拟仍然具有挑战性的经典计算机上的问题，工业相关的规模和有理由希望，量子计算可能有助于推动什么是技术上可行的边界。虽然变分量子本征求解器（VQE）算法已经可以将有噪声的中间尺度量子（NISQ）设备变成有用的机器，但人们必须尽一切努力尽可能有效地使用稀缺的量子资源。我们结合了所谓的资深零，或配对电子，近似计算量子化学与技术模拟分子化学门为基础的量子计算机，并获得一个非常资源有效的量子模拟算法。虽然通过配对电子近似失去了一些准确性，但我们表明，使用释放的量子资源来增加基组可以导致更准确的结果，并将所需的量子计算运行次数减少几个数量级，已经用于像氢化锂这样的简单系统。我们还讨论了一个错误缓解计划的基础上后选择，显示出一个有吸引力的缩放时，考虑给定的哈密顿格式，增加其NISQ实现的可行性。
2020-11-30 quant-ph
Simulating Electron Transfer on Noisy Quantum Computers
Institute of Engineering Thermodynamics, German Aerospace Center (DLR)（德国航空航天中心工程热力学研究所）；Helmholtz Institute Ulm（乌尔姆亥姆霍兹研究所）；Institute of Software Technology, German Aerospace Center (DLR)（德国航空航天中心软件技术研究所）；HQS Quantum Simulations GmbH（HQS量子模拟有限公司）；Department of Physics, Ulm University（乌尔姆大学物理系）
提出一种数字-模拟框架，利用量子比特耗散和特定误差缓解方案，在IBM超导处理器上模拟线性振动耦合开放量子系统，实现了长达10个电子位点的一维给体-受体链的振动转移谱，重现非马尔可夫动力学。
2026-05-28 quant-ph
Simulating quantum chaos on a quantum computer
Indian Institute of Engineering Science And Technology（印度工程科学理工学院）；University of Waterloo（滑铁卢大学）；Institute for Quantum Computing, University of Waterloo（滑铁卢大学量子计算研究所）；Indian Institute of Science Education and Research, Thiruvananthapuram（特鲁万纳姆拉浦尔印度科学教育与研究学院）；Wilfrid Laurier University（威尔弗里德·劳雷尔大学）
本文提出一种经典-量子混合方法，利用NISQ量子计算机模拟量子 kicked top 的混沌行为，展示了其在不同混沌参数范围内的实验探索能力，并验证了纠缠与去局部化的理论预测。
2021-07-22 quant-ph
Simulating of X-states and the two-qubit XYZ Heisenberg system on IBM quantum computer
两个量子比特的密度矩阵是最近在IBM量子器件上模拟的Bell对角态的自然推广，它们是X形的。我们推广了已有的结果，提出了一个用于模拟一般两量子比特X态的量子线路，并在同一个量子器件上实现了它，研究了它在扩展参数空间的几种取值下的纠缠.我们还表明，它们的X形是近似鲁棒的噪声量子门。为了进一步物理激励这项研究，我们调用两个自旋海森堡XYZ系统，并表明，对于广泛的初始状态，它会导致动态密度矩阵，这是X-状态。由于这个哈密顿量的对称性，我们表明，只有两个量子比特，可以模拟这个系统的动力学在IBM量子计算机上。
2022-01-20 quant-ph
Simulating optically-active spin defects with a quantum computer
本文提出容错量子算法，结合量子缺陷嵌入理论和块编码偶极算子，模拟光学活性自旋缺陷及其辐射率，并评估了六方氮化硼中硼空位所需的量子资源，以推动量子传感发展。
2024-05-21 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Simulating periodic systems on quantum computer
变分量子本征求解器（VQE）是模拟近场噪声中尺度量子器件上分子电子结构性质的最有吸引力的量子算法之一。在这项工作中，我们推广的VQE算法模拟扩展系统。然而，用现有的VQE算法对一维无限长氢链的数值研究表明，计算得到的基态能量与精确的全组态相互作用（FCI）结果有很大的偏差.在这里，我们提出了两个方案，以提高扩展系统的量子模拟的准确性。第一种是改进的VQE算法，它引入了Hartree-Fock轨道的幺正变换，以避免复杂的哈密顿量。第二种方法是将VQE与量子子空间展开方法相结合的Post-VQE方法（VQE/QSE）。数值算例表明，这两种格式都能准确描述一维氢链的势能曲线。此外，用VQE/QSE方法计算的激发态与FCI结果也吻合得很好.
2020-08-07 quant-ph
Simulating 0+1 Dimensional Quantum Gravity on Quantum Computers: Mini-Superspace Quantum Cosmology and the World Line Approach in Quantum Field Theory
量子计算机是一个有希望的候选人，通过增加计算能力和更有效的算法从根本上扩展计算科学。特别是量子计算可能在量子宇宙学领域产生巨大的影响。量子宇宙学的目标是通过惠勒-德威特方程或路径积分方法来描述宇宙的演化，而不必首先制定完整的量子引力理论。量子计算机在这方面提供了一个优势，因为它可以在洛伦兹空间中执行路径积分，而不需要在欧几里得引力中构建轮廓积分。此外，量子计算机可以在具有费米子的系统中提供优势，这些费米子在经典计算机上难以分析。在这项研究中，我们首先采用经典的计算方法来分析一个Friedmann-Robertson-Walker的小超空间与标量场和可视化的计算波函数的宇宙的各种不同的值的空间曲率和宇宙学常数。我们使用IBM的量子信息科学工具包Python库和变分量子本征求解器在量子计算机上研究相同的系统。这个框架也可以推广到量子场论的世界线方法。
2018-12-19 quant-ph
Simulating quantum mechanics on a quantum computer
描述了用于在量子计算机上有效地模拟量子力学系统的算法。本文较详细地介绍了一类模拟相互作用多体系统薛定谔方程的算法。这些算法将使在量子计算机上模拟非相对论性量子系统成为可能，与经典计算机上的模拟相比，其加速率为指数级。讨论了模拟狄拉克粒子和规范粒子的相对论系统所涉及的问题。
1997-03-08 comp-gas hep-lat hep-th
Simulating noisy variational quantum eigensolver with local noise models
变分量子本征求解器（VQE）在近中期噪声量子计算机（NISQ）上具有很好的量子优势。VQE的一个核心问题是噪声，特别是物理噪声对实际量子计算机的影响。我们系统地研究了噪声对VQE算法的影响，通过对各种局部噪声模型进行数值模拟，包括振幅阻尼，失相和去极化噪声。结果表明，随着噪声概率的增加，基态能量会偏离精确值，一般情况下，噪声会随着电路深度的增加而积累。我们建立了一个噪声模型来捕获实际量子计算机中的噪声。我们的数值模拟结果与IBM Quantum计算机上的量子实验结果一致。我们的工作为带噪VQE的实际研究提供了新的思路。对VQE噪声效应的深入理解将有助于在近场量子计算机上发展量子错误缓解技术。
2021-04-14 quant-ph
Simulating the dynamics of braiding of Majorana zero modes using an IBM quantum computer
我们在IBM量子计算机上模拟编织Majorana零模的动力学。我们发现原生的量子门引入太多的噪声而无法观察到编织。相反，我们使用Qiskit Pulse来开发缩放的双量子位量子门，它可以更好地匹配幺正时间演化算子，并使我们能够观察到编织。这项工作证明了量子计算机可以用于模拟，并强调了使用脉冲电平控制对量子计算机进行编程，并构成了通过动态哈密顿演化编织的第一个实验证据。
2021-01-26 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Simulating spectroscopy experiments with a superconducting quantum computer
提出了一种基于光谱学的量子计算机求解本征值问题的新方法。该方法的工作原理是将一个“探针”量子位耦合到一组系统模拟量子位，然后在哈密顿动力学下对探针和系统进行时间演化。通过这种方式，我们在量子计算机上模拟光谱学。我们测试我们的方法在IBM量子硬件上的一个简单的单自旋模型和相互作用的Kitaev链模型。对于Kitaev链，我们跟踪出的伪拓扑相边界的两个网站模型。
2023-02-13 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Simulating Factorization with a Quantum Computer
现代密码学在很大程度上是基于复杂性假设的，例如，无处不在的RSA是基于素因子分解问题的假设复杂性。因此，理解量子计算机最终如何削弱这些算法至关重要。本文遵循费曼的处方，用计算机模拟与将大数$N$分解为素数的算法相对应的物理学。使用狄拉克-约当变换理论，人们将因子分解转化为量子厄米算符的语言，作用于希尔伯特空间的向量。这导致获得根据欧拉函数$φ(N)$的$N$的因式分解的系综，其被量化。另一方面，考虑到$N$作为计算机的参数，导出了量子力学素数计数函数$π_{QM}(x)$，其中$x$因子分解$N$。当$π(x)$。它在解析数论中没有对应物，其推导仅依赖于半经典量子化。
2016-01-19 quant-ph
Simulating quench dynamics on a digital quantum computer with data-driven error mitigation
减少误差可能是获得近期量子优势的关键。在这项工作中，我们提出了几个Clifford数据回归为基础的方法，用于减轻真实量子数据中的噪声的影响的第一个实现。我们探讨了动态的1-D伊辛模型的横向和纵向磁场，突出签名的限制。我们发现，在一般克利福德数据回归为基础的技术是有利的，与零噪声外推相比，并获得定量协议与精确的结果为9量子位系统的电路深度高达176，涉及数百个CNOT门。这是迄今为止在此类研究中调查的最大系统。我们还研究了两点关联函数，并发现噪声对这个更复杂的可观察性的影响可以使用Clifford量子线路数据来减轻，突出了这些方法的效用。
2021-04-05 quant-ph
Simulating the Dynamics of Markovian Quantum Processes by Quantum Collision Models on Quantum Computers
RIKEN Center for Computational Science（理化学研究所计算科学中心）；Q-CTRL；RIKEN Center for Quantum Computing（理化学研究所量子计算中心）；RIKEN Pioneering Research Institute（理化学研究所先导研究本部）；RIKEN Center for Emergent Matter Science（理化学研究所新兴物质科学中心）
针对量子计算机实现非酉演化困难的问题，采用量子碰撞模型，在离子阱和超导量子计算机上实验模拟了具有局域和非局域耗散的马尔可夫量子过程，实现了最多7个系统量子比特、40个时间步的模拟，并发现最优实现策略强烈依赖于硬件特性。
2026-06-29 quant-ph
Defect-Aware Parallel Atom Reloading Protocol for Neutral-Atom Quantum Computers
Graduate School of Information Science and Technology, The University of Osaka（大阪大学信息理工学研究科）；ALGO ARTIS Corporation（ALGO ARTIS公司）
本文提出一种基于缺陷信息的并行原子重载协议，通过相干重载与缺陷感知规划，将36×90原子阵列填充率从98.61%提升至99.94%，且规划时间低于0.1毫秒，满足实时要求。
2026-10-01 quant-ph
Simulating and assessing boson sampling experiments with phase-space representations
摩尔定律的终结和潜在的量子优势推动了对新的、特定于应用的量子计算机的研究，这些量子计算机的性能超过了任何经典计算机。光子网络是很有希望的例子，具有实验演示和获得量子计算机来解决经典不可能解决的问题的潜力。这带来了一个挑战：如何设计或理解这样的光子网络？必须能够使用能够处理任意输入、耗散和噪声的一般方法来计算可观测量。我们开发了新的复相空间软件来模拟这些光子网络，并将其应用于玻色子采样实验。我们的技术给采样误差的数量级低于实验相关测量相同数量的样本。我们表明，这些技术消除了系统误差在以前的算法估计相关性，在某些情况下，误差有很大的改善。此外，我们获得了一个可扩展的通道组合策略，用于评估玻色子采样设备。
2018-02-19 quant-ph
Defects in Quantum Computers
从通用量子计算机到绝热量子计算或量子退火的兴趣转移需要广泛适用且易于实现的测试来评估量子或绝热如何成为特定硬件。在这里，我们提出了这样一个测试的基础上，一个完全可解的多体系统-在横向场的量子伊辛链-并实现它的D波机。理想的绝热淬火的量子伊辛链应导致一个有序的破缺对称基态与所有的自旋在同一方向上对齐。实际的失超可能由于退相干、噪声、所实现的哈密顿量中的缺陷而不完美，或者仅仅是太快而不能绝热。不完美会导致拓扑缺陷：自旋改变方向，扭结打断链的有序部分。这种缺陷的数量量化了量子计算机错过基态的程度，因此是不完美的。
2018-03-06 quant-ph
Open systems dynamics: Simulating master equations in the computer
主方程可能是任何研究耗散量子光学的人最基本的方程。在这种情况下，在计算机中编码和模拟这些方程的有效方法是非常有用的，在这篇笔记中，我试图以一种全面的方式介绍我是如何做到这一点的，重点是Matlab，但使其足够通用，以便可以直接翻译为任何其他语言或软件的选择。我的大部分方法都是从胡安·何塞·加西亚-里波尔（Juan José García-Ripoll）那里继承来的（他的数学能力我怎么称赞都不为过），我在这里和那里改变它们，以适应我（相当有限的）数字大脑的工作方式，并尽可能地将它们与我如何理解它们背后的理论联系起来。目前，笔记集中在如何编码主方程并找到它们的稳态，但我希望很快我就能用时间演化方法更新它们，包括如何处理依赖于时间的主方程。在过去的4年里，我在各种不同的背景下测试了这些方法，包括电路量子电动力学，激光问题，光学参量振荡器和光机系统。评论和（建设性的）批评是非常欢迎的，并将适当的信贷和承认。
2015-04-22 quant-ph
Simulating the Hamiltonian of Dimer Atomic Spin Model of One Dimensional Optical Lattice on Quantum Computers
一维伊辛模型及其与若干物理概念的联系对理解若干原理、现象和数值方法起着至关重要的作用。由伊辛模型可以得到有磁场存在时耦合一维耗散自旋系统的哈密顿量。我们通过设计具有精确门测量的量子线路来模拟上述哈密顿量，并通过具有受控能量分离的不同$N$态使用IBMQ体验平台执行，其中我们可以检查耗散晶格系统中的量子同步。我们的结果显示了各种纠缠态之间的关系，不同的能量分离（$ω$）与自旋-自旋耦合（$λ$）之间的关系，以及保真度计算的几个迭代的模型使用。我们还利用VQE算法估计了Ising-Hamiltonian的基态和第一激发能态，并研究了最低能量值随体系层数的变化。
2022-01-05 quant-ph
ArQTiC: A full-stack software package for simulating materials on quantum computers
ArQTiC是一个开源的全栈软件包，用于在量子计算机上模拟材料。它目前可以模拟材料，可以模拟任何汉密尔顿来自一个通用的，一维的，时间相关的海森堡哈密顿量。ArQTiC包括用于生成量子程序的模块，用于实时和实时演化、量子线路优化、通过云连接到各种量子后端以及量子结果的后处理。通过使用户能够通过简单地提供最小的输入文本文件在量子计算机上无缝地执行和分析材料模拟，ArQTiC为来自更广泛科学领域的更广泛的科学家社区打开了这一领域。
2021-06-09 physics.comp-ph quant-ph
Simulating chemistry efficiently on fault-tolerant quantum computers
理论上，量子计算机可以比经典计算机更快地模拟量子物理，但仍然存在一些技术障碍。在这里，我们考虑的方法，使提出的化学模拟算法计算速度快的容错量子计算机的电路模型。容错限制了可用门的选择，因此仿真算法所需的任意门必须从基本操作序列中构造。我们研究了用于构建任意门的技术，这些门的执行速度比基于传统Solovay-Kitaev算法的电路快得多[C.M.道森和MA Nielsen，\emph{Quantum Inf. Comput.}，\textbf{6}：81，2006]。对于给定的近似误差$ε$，可以容错地产生任意单量子位门，并且使用时间上有限的一组门，即$O(\log ε)$或$O(\log \log ε)$;通过足够的并行准备辅助，可以使用我们称为可编程辅助旋转的方法来实现恒定的平均深度。此外，我们构建和分析的第一和第二量化的模拟算法的有效实现，使用容错任意门和其他技术，如在恒定时间内实现各种子程序。我们分析的一个具体例子是氢化锂的基态能量计算。
2012-04-03 quant-ph
Simulating Gaussian boson sampling quantum computers
本文回顾了基于相空间表示的模拟实验 GBS 网络的理论方法，该方法可扩展且能验证多种输入态的实验输出与量子优势声明，旨在鼓励进一步理论研究。
2023-08-02 quant-ph
Simulating quantum many-body dynamics on a current digital quantum computer
通用量子计算机可能是模拟多体量子动力学的理想环境，这是经典数字计算机无法实现的。我们使用最先进的IBM量子计算机来研究凝聚态物理的典型例子--我们模拟了无序和相互作用对量子粒子传输的影响，以及相关和纠缠的传播。我们的基准测试结果表明，目前的机器的质量是低于什么是必要的定量准确的连续时间动态的可观和可达系统的大小是小的精确对角化。尽管如此，我们还是成功地证明了与局域化物理和多体相互作用效应相关的明确的定性行为。
2019-12-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el quant-ph
Simulating Open Quantum System Dynamics on NISQ Computers with Generalized Quantum Master Equations
本文提出基于广义量子主方程的量子算法，通过Sz.-Nagy膨胀定理将非幺正传播子转化为高维幺正形式，在NISQ计算机上模拟开放量子系统动力学，并在自旋-玻色子模型上验证了其可靠性。
2023-08-08 quant-ph
Simulating Quantum Materials with Digital Quantum Computers
量子材料表现出广泛的奇异现象和实际有用的性质。更好地了解这些材料可以为量子领域的基础物理学以及娱乐，医疗保健和可持续发展的先进技术提供更深入的见解。数字量子计算机（DQC）的出现，可以有效地执行量子模拟，否则在经典计算机上难以处理，为测试和分析量子材料的显着，往往违反直觉的行为提供了一条有前途的道路。配备了这些新工具，来自不同领域的科学家们正在竞相实现物理量子优势（即，使用量子计算机来学习新的物理学，其计算无法在任何经典计算机上运行）。因此，本次审查的目的是提供一个实现这一目标所取得的进展的摘要，供整个物理科学的科学家使用。我们将首先回顾现有的技术和算法，并详细介绍在量子计算机上表示材料的无数方法。接下来，我们将展示在目前可用的DQC上成功进行的模拟，强调可以使用这种新兴技术研究的静态和动态特性。最后，我们通过两个例子来说明如何将材料问题映射到DQC上，完整的代码包含在补充材料中。我们希望这篇综述可以作为领域专家对该领域进展的有组织的概述，并为有兴趣开始在DQC上进行量子材料模拟的相关领域的科学家提供一个可访问的介绍。
2021-02-01 quant-ph
Simulating large-size quantum spin chains on cloud-based superconducting quantum computers
量子计算机有可能有效地模拟大规模量子系统，而经典方法注定会失败。尽管现有的几种量子设备的量子比特总数超过了100，但它们的适用性仍然受到噪声和错误的困扰。因此，在这些设备上成功模拟大型量子系统的程度仍然不清楚。在这里，我们报告云模拟IBM的超导量子计算机上进行的几个自旋链具有广泛的系统大小高达102量子比特的模拟基态。我们发现，从不同量子计算机和系统大小的实现中提取的基态能量达到了预期值，误差很小（即百分比水平），包括从这些值推断热力学极限中的能量密度。我们实现了这种精度，通过结合物理动机的变分Ansatzes，高效，可扩展的能量测量和误差缓解协议，包括使用参考状态的零噪声外推。通过使用102量子位系统，我们已经能够成功地在单个电路中应用多达3186个CNOT门。我们准确的，误差减轻的结果中的随机参数的Anglesia状态表明，一个独立的混合量子经典变分方法的大规模XXZ模型是可行的。
2022-09-23 quant-ph
Simulating Large Quantum Circuits on a Small Quantum Computer
有限的量子存储是近期量子器件的最重要的限制之一。了解小型量子计算机是否可以模拟更大的量子系统，或者执行需要更多量子比特的算法，无论是理论上还是实践上都很重要。本文介绍了量子线路的群参数$K$和$d$。这种电路的张量网络可以被分解成具有至多$K$量子比特的簇间量子通信的至多$d$大小的簇。我们提出了一个簇模拟方案，可以模拟任何$(K,d)$ -簇量子线路上的$d$ -量子比特机器的时间大致$2^{O(K)}$，进一步的加速时，考虑到更细粒度的电路结构。我们展示了我们的方案如何可以用来模拟集群量子系统-如大分子-可以划分成多个显着较小的集群之间的弱相互作用。通过使用一个合适的聚类分析，我们还实验证明，量子变分本征解算器仍然可以实现所需的性能估计的BeH $_2$分子的能量，同时运行在物理量子设备上所需的量子位数的一半。
2020-12-08 quant-ph
Simulating Field Theories with Quantum Computers
本研究使用量子计算机模拟二维时空下的Gross-Neveu和双曲Ising模型的Trotter演化，通过多种误差缓解技术处理噪声，并验证了方法有效性及OTOC协议的实现。
2024-01-03 hep-lat 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
Simulating the non-Hermitian dynamics of financial option pricing with quantum computers
本研究拓展量子虚时间演化（QITE）算法，解除其反厄米哈密顿量限制，可求解任意非厄米薛定谔型偏微分方程，并用其实现Black-Scholes方程下的欧式期权定价，为金融领域量子应用提供新方法。
2024-07-01 quant-ph
Simulating Quantum Dynamics On A Quantum Computer
我们提出了有效的量子算法，用于模拟一般的输入态的含时哈密顿演化的量子计算机的神谕模型。我们的算法使用恒定的或自适应选择的时间步长，是显着的，因为它们是第一个具有时间复杂性，是最好的已知的方法模拟时间无关的哈密顿演化相媲美，给出适当的光滑度标准的哈密顿得到满足。我们提供了一个彻底的成本分析，这些算法，考虑离散化错误的时间和表示的哈密顿量。此外，我们提供了第一个上限的错误，李-特罗特-铃木近似酉演化算子，使用自适应选择的时间步长。
2011-05-27 math-ph math.MP quant-ph
Simulating near-infrared spectroscopy on a quantum computer for enhanced chemical detection
针对近红外光谱提取化学浓度需大量训练数据的问题，提出量子计算机模拟近红外光谱的方法，通过振动模式定位等优化实现O(M²)缩放，模拟高爆炸性分子光谱仅需8.47×10⁸个T门和173个逻辑量子位，可增强检测模型训练数据集以释放振动光谱潜力。
2025-04-14 quant-ph
Accurately Simulating the Time Evolution of an Ising Model with Echo Verified Clifford Data Regression on a Superconducting Quantum Computer
本文提出回波验证与克利福德数据回归相结合的误差缓解方法EVCDR，并在超导量子计算机上实现对最多35格点、173纠缠层伊辛模型时间演化的精确模拟。
2025-04-28 quant-ph
Simulating quantum computers with probabilistic methods
我们研究经典和量子计算能力之间的边界。这项工作包括两个部分。首先，我们开发新的经典的模拟算法，以采样方法为中心。使用这些技术，我们产生新的类的经典可模拟的量子线路的标准技术依赖于测量概率的精确计算无法提供有效的模拟。例如，我们展示了如何将匹配门、Toffoli、Clifford、有界深度、傅立叶变换和其他电路串联起来，这些电路都是经典的可模拟电路。我们还证明了稀疏量子线路以及由CNOT和exp[iaX]门组成的电路可以经典地模拟。在第二部分中，我们将我们的结果应用于量子算法的模拟。它表明，最近的量子算法，有关Potts模型配分函数的估计，可以有效地模拟经典。最后，我们表明，西蒙和肖尔的算法的指数加速至关重要地取决于在这些算法的最后一个阶段，处理经典的测量结果的后处理。具体来说，我们证明了这两种算法将是经典的模拟，如果在这一步中经典计算的功能有一个充分峰值的傅立叶频谱。
2010-04-12 quant-ph
Driven-dissipative quantum mechanics on a lattice: Simulating a fermionic reservoir on a quantum computer
受驱耗散多体问题是量子力学中最具挑战性的未解决问题之一。量子计算机的出现可以为有效地模拟这种驱动耗散系统提供独特的平台。但是，如何设计水库有很多选择。人们可以简单地使用辅助量子比特作为水库，然后通过算法冷却来数字模拟它们。一个更有吸引力的方法，它允许人们模拟一个无限的水库，是整合出浴自由度，并通过主方程描述驱动耗散系统，这也可以在量子计算机上模拟。在这项工作中，我们考虑的特殊情况下，非相互作用的电子的晶格驱动的电场和耦合到一个费米子恒温器。然后，我们提供了两个不同的量子线路：第一个重建的完整的动力学系统使用Trotter步骤，而第二个耗散准备最终的非平衡稳态在一个单一的步骤。我们在IBM量子体验上运行这两个电路。对于电路（i），我们实现了多达5个Trotter步骤。当部分重置在量子计算机上可用时，我们预计最大模拟时间可以显着增加。这里开发的方法建议的概括，可以应用于模拟相互作用的驱动耗散系统。
2020-08-17 cond-mat.str-el quant-ph
Simulating long-range coherence of atoms and photons in quantum computers
激光和玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）以看似无关的方式表现出宏观量子相干性。激光具有明确的全局相位，其特征在于光子数的大幅波动。相反，在原子的BEC中，粒子数是守恒的，全局相位是不确定的。在这里，我们提出了一个统一的框架来模拟激光和BEC状态的基于门的量子计算机，通过映射玻色子粒子的量子比特激发。我们的方法依赖于一个可扩展的电路，可以在不破坏长程相干性的情况下测量粒子总数。我们引入互补探针来测量量子态的全局和相对相位相干性，并在Rigetti量子计算机上演示了它们的功能。我们的工作表明，粒子数守恒增强了长程相位相干性，突出了超流体和超导体用于获得相位刚度的机制。
2022-06-16 cond-mat.quant-gas quant-ph
Simulating 2D topological quantum phase transitions on a digital quantum computer
本研究提出基于等距张量网络的线性深度参数化量子电路设计方法，可在数字量子计算机上高效制备二维拓扑相变多体基态，并验证了其相变特性与全息模拟可行性。
2024-09-28 quant-ph
Simulating the Quantum Magnet
为了更深入地了解复杂量子系统的动力学，我们需要在计算机模拟方面实现量子飞跃。我们无法有效地将叠加态或纠缠产生的量子行为翻译成传统计算机的经典语言。这个问题的最终解决方案是一台通用量子计算机[1]，该计算机于1982年提出，并设想在未来十年内投入使用;通过模拟不同量子系统中感兴趣的量子行为，提出了一条捷径，其中所有参数和相互作用都可以控制，结果也可以很好地检测到。在这里，我们研究了基于捕获离子的量子模拟器的可行性[2]。我们通过实验模拟了最小的非平凡自旋系统从顺磁到（反）铁磁顺序的绝热演化，其中两个自旋的量子磁化强度为98%，通过电磁场独立地控制和操纵哈密顿量的所有相关参数。我们证明了所观察到的跃迁不是由热涨落驱动的，而是量子力学的起源，即量子相变中量子涨落的来源[3]。我们观察到一个最终的叠加态的两个简并自旋配置的铁磁和反铁磁秩序，分别。这些对应于保真度高达88%的确定性纠缠态。我们的工作演示了一个积木模拟量子自旋哈密顿与囚禁离子。该方法有可能扩展到更高数量的耦合自旋[2]。
2008-02-27 quant-ph
Classical Algorithm for the Mean Value problem over Short-Time Hamiltonian Evolutions
模拟物理系统一直是经典和量子计算机的重要应用。在这篇文章中，我们提出了一个有效的经典算法来模拟时间依赖于时间的量子力学哈密顿在恒定的时间周期。这里提出的算法计算的平均值的观察到的输出状态的这种短时间的哈密顿演化。在证明该算法的性能，我们使用Lieb-Robinson型边界限制本地运营商的光锥内的演变。这使我们能够将模拟大型量子系统的任务划分为可以在普通经典计算机上处理的较小系统。
2023-01-26 quant-ph
Simulating quantum field theories on gate-based quantum computers
本研究利用光前表述在基于门的NISQ量子计算机上实现1+1维Yukawa量子场论非微扰模拟，通过调节谐振分辨率权衡资源与精度，结合玻色、费米子算符并采用特罗特化近似，可计算实验相关物理量，同时分析了现有设备限制带来的误差。
2024-05-15 quant-ph
Simulating NMR Spectra with a Quantum Computer
本文形式化 NMR 谱模拟流程，并比较 QPE 与 VQE 在量子计算机上对角化 Hamiltonian 矩阵的效果，重点给出含噪条件下 VQE 的模拟结果。
2024-10-28 math.CO quant-ph
