Optimal Trotterization in universal quantum simulators under faulty control
通用的量子模拟可以提供对那些不能用经典方法描述并且不能用当前技术有效模拟的多体系统的深入了解。特罗特公式，它分解成一个频闪序列的重复基本演变的模拟器所需的单一的时间演化，是一个关键的算法组件，使量子模拟的动力学易于处理。Trotter数$n$设置运行该算法的计算机从一个基本演化切换到另一个基本演化的时间尺度。在理想情况下，可以通过增加$n$来任意控制模拟的精度。我们研究了一个更现实的情况下，每个门应用不完善。由此产生的误差权衡导致模拟精度的最终限制。我们计算达到这个极限的最佳Trotter数$n^*$，它是从实际模拟到理想模拟的最小统计距离。
2015-06-08 quant-ph
Bridging Krylov Complexity and Universal Analog Quantum Simulator
Fudan University（复旦大学）；Institute for Advanced Study, Tsinghua University（清华大学高等研究院）；Hefei National Laboratory（合肥国家实验室）
本文提出通用Krylov复杂度作为衡量类比量子模拟器实现特定量子操作复杂度的指标，通过构建块Krylov基，展示其在预测操作实现最小时间方面的有效性。
2026-05-08 quant-ph
SyQMA: A memory-efficient, symbolic and exact universal simulator for quantum error correction
Quantinuum；University College London（伦敦大学学院）
SyQMA通过符号化方法高效模拟量子电路，支持精确计算期望值和测量概率，适用于量子误差校正中的最大似然解码和逻辑错误率分析。
2026-04-16 quant-ph
Stabilizer Tensor Networks: universal quantum simulator on a basis of stabilizer states
本研究整合张量网络与tableau形式，推广了Clifford电路模拟方法，通过引入Clifford门、非Clifford门和测量的更新规则实现通用量子电路模拟，并探讨了该框架对张量网络表示能力及量子资源性质的启示。
2024-04-09 quant-ph
SOFT: a high-performance simulator for universal fault-tolerant quantum circuits
Institute of Software, Chinese Academy of Sciences（中国科学院软件研究所）；The University of Hong Kong（香港大学）；Arclight Quantum Corporation（Arclight量子公司）；Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences（中国科学院计算技术研究所）
SOFT是一种高性能的通用容错量子电路模拟器，通过整合广义稳定子形式化和GPU并行化，实现了大规模噪声量子电路的模拟，首次真实模拟了非平凡规模下的魔法态培养协议。
2025-12-28 quant-ph
Detecting scrambling via statistical correlations between randomized measurements on an NMR quantum simulator
无序相关器（OTOC）作为量子多体系统中量子信息置乱的一种度量，近年来受到了广泛的关注。OTOC的实验测量是相当具有挑战性的。现有的理论方案包括实施时间反演操作或使用辅助量子系统，因此只有少数实验报告。最近，提出了一种新的协议来检测OTOC使用随机测量之间的统计相关性。在这项工作中，我们使用这种新的测量方法在一个4量子比特的核磁共振量子模拟器上检测了一个kicked-伊辛模型的OTOC。在实验中，我们使用随机哈密顿演化来产生随机OTOC检测协议所需的随机操作。我们的实验结果与理论预测吻合良好，从而证实了协议的可行性。因此，我们的工作代表了一个步骤，探索现实的量子混沌动力学在复杂的量子系统。
2019-03-28 quant-ph
Quantum computers as universal quantum simulators: state-of-art and perspectives
在过去的几年里，量子技术在实际计算和模拟中得到了具体和快速的传播。特别是，基于捕获离子或超导量子位的量子计算平台已经可用于模拟和基准测试，其中可以可靠地初始化、控制和测量多达几十个量子位。本综述旨在全面展望这些近期噪声设备作为通用量子模拟器提供的最新能力，即可编程量子计算机可能能够计算许多物理模型的时间演化。首先，我们给出了有关数字量子模拟的基本理论背景的教学概述，重点是硬件相关的自旋型哈密顿映射到相应的量子线路模型作为模拟更复杂的模型的关键初始步骤。然后，我们回顾了在过去十年中所取得的主要实验成果，这些自旋模型的数字量子模拟，主要采用两个领先的量子体系结构。我们比较它们的性能和概述未来的挑战，也鉴于未来的混合动力技术，实现长期寻求量子优势的物理科学中的复杂的多体模型的模拟的最终目标。
2020-04-19 quant-ph
Dimer states of Rydberg atoms on the Kagome lattice as resources for universal measurement-based quantum computation
我们证明了Kagome晶格上的量子二聚体状态，这是最近在Rydberg量子模拟器中以高保真度实现的[Semeghini等人，Science 374，6572（2021）]为基于测量的通用量子计算提供了足够的资源。特别是，我们提供了一个有效的编码的逻辑量子比特在这种状态下，并给出明确的测量序列，实现这些量子比特的门的通用集合。由于所提出的测量的构建模块已经在实验中实现，我们的工作突出了一条可能的路径，将Rydberg模拟器推广到通用量子计算机，依赖于基于测量的量子计算模型和现有技术。
2022-11-01 quant-ph
Benchmarking Supercomputers with the Jülich Universal Quantum Computer Simulator
我们使用通用量子计算机的大规模并行模拟器来对世界上一些最强大的超级计算机进行基准测试。我们在Sunway TaihuLight、K计算机、IBM BlueGene/Q JUQUEEN和基于Intel Xeon的集群JURECA和JUWELS上发现了接近理想的缩放行为。在Sunway TaihuLight和K计算机上，可以通过自适应双字节编码来模拟高达48个量子位的通用量子计算机，以将内存需求减少八倍。此外，我们还讨论了一种替代方法，通过分解纠缠门来缓解内存瓶颈，从而可以模拟具有大量量子位的低深度电路。
2019-12-06 physics.comp-ph quant-ph
Digital quantum simulators in a scalable architecture of hybrid spin-photon qubits
解决量子多体问题是物理学和物理化学中最大的挑战之一，因为使用经典计算机需要非常大的计算资源。通过直接模拟通过应用于量子位阵列的量子门的序列的时间演化，即通过实现数字量子模拟器，已经预见了一种解决方案。超导电路和谐振器正在成为量子计算架构的一个非常有前途的平台，但目前缺乏一个直接可扩展、通用和可实现的数字量子模拟器提案。在这里，我们提出了一个可行的方案来实现一个通用的量子模拟器与混合自旋光子量子比特的超导谐振器阵列，这是本质上可扩展的，并允许本地控制。作为代表性的例子，我们考虑的横向场伊辛模型，自旋1哈密顿量，和二维哈伯德模型，对于这些，我们数值模拟的计划，包括退相干的主要来源。此外，我们展示了如何规避潜在的有害影响的非均匀加宽的自旋系统。
2015-04-22 quant-ph
Universal Hamiltonian simulators in one and two dimensions
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；Caltech（加州理工学院）；The Hebrew University（希伯来大学）
本研究提出新的一维通用哈密顿量族并改进二维通用族，结合量子相位估计算法与电路到哈密顿量构造，以多项式开销实现所有局域目标哈密顿量的高效模拟，扩展了模拟哈密顿量的应用潜力。
2026-08-31 cond-mat.str-el quant-ph
Optical resonators constitute a universal spin simulator
针对缺乏可通用模拟所有NP难问题的便捷自旋模拟装置的问题，提出采用链式排列光学谐振器的通用均匀自旋模拟器UHSS，可将自旋模型长程相互作用映射为最近邻物理相互作用，能求解任意规模NP难问题。
2025-01-08 cond-mat.dis-nn physics.optics quant-ph
Non-equilibrium critical scaling and universality in a quantum simulator
本研究使用囚禁离子量子模拟器探究了量子淬火至临界点后的非平衡临界涨落，发现双重淬火能产生由新临界指数表征的非平衡普适行为，证明了量子模拟器探索超越平衡态普适标度的能力。
2025-09-13 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Accreditation of Analogue Quantum Simulators
本文提出一种模拟量子模拟器的认证协议，给出错误与无错误输出分布间变异距离的上界，开销与模拟规模无关，基于强通用哈密顿量和量子认证理论，实用且可立即使用。
2023-06-05 quant-ph
Universal Atom Interferometer Simulator -- Elastic Scattering Processes
本文介绍了一个涵盖物质波与光脉冲弹性散射所有区域的通用模拟器。应用于原子干涉测量作为一个研究案例，这个模拟器解决了原子光衍射问题的弹性情况下，即当原子的内部状态保持不变。从这个角度来看，光脉冲分束被解释为一个空间和时间相关的外部电位。在从通常的方法的基础上的动量空间常微分方程系统的转变，我们的位置空间的治疗是灵活的，有利于现实的情况下，光场具有任意复杂的空间行为，而不仅仅是平面波的规模。此外，我们开发的数值包是毫不费力地扩展到问题类的捕获和相互作用的几何形状，这没有简单的制定在通常的框架动量空间常微分方程。我们检查我们的模型的有效性，通过重新访问几个案例研究相关的精密原子干涉社区。我们检索分析的解决方案时，他们存在，并扩展到更复杂的参数范围内的跨政权的方式进行分析。该方法的灵活性，它所提供的洞察力，其数值可扩展性和准确性使其成为设计，理解和定量分析面向计量学的物质波干涉实验的精美工具。
2020-07-10 physics.atom-ph quant-ph
Quantum Quenches from the Critical Point: Theory and Experimental Validation in a Trapped-Ion Quantum Simulator
本文在囚禁离子量子模拟器中研究从临界点出发的量子淬火，通过缺陷数累积量的淬火深度普适标度验证了非平衡量子临界动力学的理论预言。
2025-07-01 quant-ph
Universal digital quantum simulation with trapped ions
数字量子模拟器是一种设想的量子设备，可以编程以有效地模拟任何其他本地系统。我们演示和调查的数字方法，量子模拟在一个系统的囚禁离子。使用多达100个门和6个量子位的序列，数字模拟了一系列自旋系统的全时动态。超出我们的模拟器中自然存在的相互作用被准确地再现，并为整体模拟质量提供了定量界限。我们的研究结果证明了数字量子模拟的关键原则，并提供证据表明，一个全面的设备所需的控制水平是触手可及的。
2011-10-07 quant-ph
$Q$-Deformed Rainbows: a Universal Simulator of Free Entanglement Spectra
提出一种位置依赖XX耦合与磁场的自旋链，可高保真重现任意自由费米子关联与纠缠谱单粒子能量，基态以$q$-形变单态表述，为量子技术与凝聚态物理提供通用纠缠谱模拟器。
2023-02-03 cond-mat.stat-mech cond-mat.str-el quant-ph
Universal Analog Quantum Simulation
Peking University（北京大学）；Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院高能物理研究所）；China Center of Advanced Science and Technology（中国高等科学技术中心）；School of Computer Science, Peking University（北京大学计算机学院）
本文提出通用类比量子模拟框架，通过优化连续时间控制场直接工程目标动力学，扩展类比平台可实现的量子演化范围，使固定交互类比设备变为可编程模拟器。
2026-05-07 quant-ph
Sdim: A Qudit Stabilizer Simulator
Rutgers University（罗格斯大学）；University of California, Davis（加州大学戴维斯分校）；Imec（imec研究所）；KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Universiteit Antwerpen（安特卫普大学）
本文提出首个开源多维量子稳定模拟器Sdim，通过对比现有态向量模拟验证其正确性，并在量子电路评估与采样中验证性能，为探索新型多维量子纠错提供基础工具。
2026-05-12 quant-ph
Massive Parallel Quantum Computer Simulator
我们描述了在大规模并行计算机上模拟通用量子计算机的便携式软件。我们通过在不同的计算机体系结构上运行各种量子算法来说明模拟软件的使用，所述计算机体系结构例如IBM BlueGene/L、IBM Regatta p690+、Hitachi SR 11000/J1、Cray X1 E、SGI Altix 3700和运行Windows XP的PC集群。我们通过模拟包含多达36个量子比特的量子计算机来研究软件的性能，使用多达4096个处理器和多达1 TB的内存。我们的研究结果表明，模拟器表现出接近理想的缩放作为处理器的数量的函数，并建议在本文中描述的模拟软件也可以作为测试高端并行计算机的基准。
2006-08-30 quant-ph
Massively parallel quantum computer simulator, eleven years later
11年前在这本杂志上描述的通用量子计算机的大规模并行模拟器的修订版本，用于在当今一些最强大的超级计算机上对各种基于门的量子算法进行基准测试。波函数的自适应编码将内存需求降低了8倍，使得在神威太湖之光和K计算机上模拟高达48个量子位的通用量子计算机成为可能。该模拟器在Sunway TaihuLight、K计算机、IBM Blue Gene/Q和基于Intel Xeon的集群上表现出接近理想的弱缩放行为，这意味着并行化和硬件的组合可以跟踪由于量子比特数量增加而导致的指数缩放。给出了在包含48个量子比特的量子计算机上执行简单量子线路和Shor因子分解算法的结果。
2018-12-11 physics.comp-ph quant-ph
Observation of universal hierarchical relaxation in a quantum simulator
Ningbo University（宁波大学）；Singapore University of Technology and Design（新加坡科技设计大学）；Institut für Quantenoptik und Quanteninformation, Österreichische Akademie der Wissenschaften（奥地利科学院量子光学与量子信息研究所）；Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学）；CNRS, LPTMS（法国国家科学研究中心理论物理和分子物质物理实验室）；Institut Universitaire de France（法兰西学院）；Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck（因斯布鲁克大学实验物理研究所）
本研究利用囚禁离子量子模拟器实验验证了扩散区域中的“弛豫-重叠不等式”，并将其扩展到多守恒定律系统，为量子物质弛豫至平衡及流体动力学行为的全面表征开辟了道路。
2026-09-25 cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech quant-ph
Characterising port-based teleportation as a universal simulator of qubit channels
基于端口的隐形传态（PBT）是一种采用多个贝尔对和联合测量来实现近似输入输出身份信道的隐形传态协议。用不同的多量子比特资源状态替换Bell对改变了所制定的信道，并允许PBT协议模拟身份之外的量子比特信道。因此，从使用一般资源状态的PBT产生的信道是感兴趣的。在这项工作中，我们完全取代的Choi矩阵的量子比特信道模拟的PBT协议的资源状态。我们还通过找到从资源状态到信道的Choi矩阵的映射的描述来描述PBT协议本身，该信道是通过使用该资源状态来模拟的。最后，我们利用我们的表达式来显示改进的模拟的幅度阻尼通道的PBT与有限数量的端口。
2021-04-26 math-ph math.MP quant-ph
A Quantum Performance Simulator based on fidelity and fault-path counting
量子性能模拟器可以为在物理硬件上执行理论量子信息处理协议的有效性提供实用的度量。在这项工作中，我们提出了一个方案来模拟容错量子计算的性能，通过自动跟踪常见的错误路径，通过电路的错误传播和量化的保真度，每个量子比特在整个计算。我们的模拟工具输出预期的执行时间，所需的量子位数和在通用硬件上运行常见容错协议的最终错误率，假设是具有完全连接性的量子位网络。我们的技术有效地估计错误概率的上限，并提供了一个有用的性能指标的错误阈值在低错误率，传统的蒙特卡罗方法是无效的。为了验证所提出的模拟器，我们提出的模拟结果比较量子加法器的执行构成的一个主要组成部分，肖尔的算法。
2012-12-04 quant-ph
Quantifying quantum speedups: improved classical simulation from tighter magic monotones
幻态的消耗将计算的稳定子模型提升为普适量子计算。在这里，我们提出了三种不同的经典算法来模拟这样的通用量子线路，并通过建立一个家庭的魔术单调的精确连接来表征它们。我们的第一个模拟器引入了一类新的准概率分布，并将其运行时连接到广义的负性概念。我们证明，该算法有显着改善指数缩放相比，所有先前的准概率模拟量子比特。我们的第二个模拟器是一个新的变种的稳定秩模拟算法，扩展到工作与混合状态和显着改善的运行时界限。我们的第三个模拟器通过丢弃负准概率来换取速度的精度。我们将每个算法的性能连接到相应的魔术单调，并通过全面表征单调，我们获得了精确的理解模拟运行时间和误差界。我们的分析揭示了这三种看似无关的模拟技术及其相关单调性之间的深刻联系。对于单量子比特态的张量积，我们证明了我们的单调性都是彼此相等的，乘法的和有效的可计算的，使我们能够对模拟器的性能缩放进行明确的比较。此外，我们的单调性建立了几个渐近和非渐近的状态相互转换和蒸馏率的界限。除了幻态理论，我们的经典模拟器可以适用于其他资源理论在某些公理下，我们证明了通过明确的应用到理论的量子相干性。
2021-03-21 quant-ph
Electromechanical Quantum Simulators
数字量子模拟器是量子计算机最具吸引力的应用之一。在这里，我们提出了一个通用的，可扩展的，和集成的量子计算平台的基础上可调非线性机电纳米振荡器。结果表明，非常高的单和两个量子比特门的操作精度可以实现在一个最小的架构，其中量子比特编码的非谐振动模式的机械纳米谐振器，其有效的耦合介导的虚拟波动的中间超导人工原子。一个有效的计划，以诱导大的单声子非线性纳米机电器件明确讨论，从而打开了这一方向的实验研究的路线。最后，我们明确地表明，可以达到非常高的精度的数字量子模拟的模型哈密顿，通过使用现实的实验参数在国家的最先进的设备，并考虑横向场伊辛模型作为一个范例。
2018-05-10 quant-ph
Adiabatic Quantum Simulators
在他1981年的著名演讲中，费曼提出，与经典计算机不同，在模拟量子现象时可能会经历指数级减速，通用量子模拟器不会。理想的量子模拟器应该是可控的，并使用现有技术构建。在某些情况下，远离基于门模型的量子计算实现可以为特定的实验实现提供更可行的解决方案。在这里，我们考虑一个绝热量子模拟器，它模拟的基态属性的稀疏哈密顿组成的一个和两个本地的相互作用项，使用稀疏哈密顿至多三个本地的相互作用。这种哈密顿量的性质可以很好地近似为只包含两个局部项的哈密顿量。保持模拟的基态的寄存器与探测量子位相互作用，然后对探测进行单个非绝热门操作，然后进行自由演化直到测量。这允许恢复例如被模拟的哈密顿量的基态能量。给定一个基态，该方案可以用来验证QMA完全问题的哈密顿量，因此可能比经典计算更强大。
2013-12-03 quant-ph
Verifying quantum information scrambling dynamics in a fully controllable superconducting quantum simulator
量子模拟通过将量子多体系统的哈密顿量映射到更好的受控系统来阐明量子多体系统的性质。由于不像通用量子计算机那样严格，有噪声的小尺度和中等尺度量子模拟器已经成功地证明了诸如相变、局域化和热化等定性行为，这些行为对工程化哈密顿量中的缺陷不敏感。对于像量子信息加扰这样的更复杂的特征，需要更高的可控性来模拟向前和向后的时间演化，并诊断实验误差，这仅在离散门中实现。在这里，我们研究了验证混乱的一维自旋链的模拟超导量子模拟器的符号和值的个别驱动和耦合项完全可控。我们测量的时间和空间模式的时间有序的干扰（OTOC）的工程相反的哈密顿两个子系统上，与哈密顿失配和退相干提取定量的扰码动力学。我们的工作表明超导系统是一个强大的量子模拟器。
2021-12-21 quant-ph
Engineering vibrationally-assisted energy transfer in a trapped-ion quantum simulator
众所周知，凝聚相中许多重要的化学和生物化学过程很难用数值模拟。通常，这种困难来自于模拟动力学的复杂性，所述动力学是由耦合到结构化介观浴而产生的，对于所述结构化介观浴，不存在时间尺度的分离并且统计处理失败。这种过程的一个主要例子是振动辅助电荷或能量转移。一个量子模拟器，能够实现感兴趣的系统的现实模型，可以提供洞察这些过程中的制度，数值处理失败。我们采取的第一步，这样的传输过程建模使用离子阱量子模拟器。通过实施一个极小模型，我们观察到的电子态的施主和受主离子之间的振动辅助能量输运通过耦合施主离子，其振动增强。我们调整我们的模拟器到几个参数制度，特别是在非微扰制度中经常发现的生化情况下，调查转移动力学。
2018-04-06 quant-ph
Spin network quantum simulator
我们提出了一个通用的设置上的量子结构的通用表示量子信息的立场，其动力学演化（信息操纵）是基于角动量再耦合理论。这种方案符合Feynmann意义下的“量子模拟器”概念，并与量子计算的拓扑量子场论方法相联系。
2002-09-02 hep-th math-ph math.MP
Universal Dynamics with Globally Controlled Analog Quantum Simulators
Department of Physics, Harvard University（哈佛大学物理系）；School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University（哈佛大学工程与应用科学学院）；Robotics Institute, Carnegie Mellon University（卡内基梅隆大学机器人研究所）；Harmoniqs, Inc.（Harmoniqs公司）；Department of Mathematics, Harvard University（哈佛大学数学系）
本研究通过全局控制场实现通用量子动力学，展示了类比量子模拟器在拓扑动力学和多体相互作用工程中的应用。
2026-03-11 cond-mat.quant-gas cond-mat.str-el cs.LG
A Quantum Simulator Based on Locally Controlled Logical Systems
在数字量子模拟器中，通过快速局部控制操作来操纵基本的两量子比特相互作用，以建立所需的目标哈密顿量。在这里，我们考虑一个基于逻辑系统的量子模拟器，即其中几个物理量子位用于表示单个逻辑两级系统，以获得对逻辑系统之间有效交互的增强和简单控制。物理量子位之间的固定的、依赖于距离的成对相互作用导致逻辑系统之间的有效相互作用，这可以完全通过选择它们的内部状态来控制。这允许人们直接操纵逻辑系统之间有效交互的拓扑和强度。我们展示了如何选择和生成任何所需的交互模式和拓扑结构的逻辑系统所需的状态，如何执行任意的逻辑测量，以及如何仅使用固有的两体交互和单个物理量子位的控制来获得对单个逻辑系统的完全控制。这导致了基于逻辑系统的通用量子模拟器。我们讨论了这样一个逻辑量子模拟器的优势，标准的，包括可能性，以达到目标拓扑结构，只有访问大的开销，否则。我们提供了几个例子，如何获得不同的目标相互作用模式和拓扑结构，从初始的远程或短程量子比特与量子比特的相互作用与特定的距离依赖。
2023-02-07 quant-ph
Reconstructing the ideal results of a perturbed analog quantum simulator
良好控制的量子系统可以用作量子模拟器。然而，量子模拟器不可避免地会因耦合到额外的自由度而受到干扰。这构成了有用的量子模拟的主要障碍。到目前为止，只有有限的手段来理解微扰对量子模拟结果的影响。在这里，我们提出了一种方法，在某些情况下，允许重建的理想结果从测量扰动量子模拟器。我们考虑从模拟系统中提取相关器$\langle\hat{O}^i(t) \hat{O}^j(0)\rangle$的值，其中$\hat{O}^i$是将系统耦合到其环境的算子。如果理想系统的算子$\hat{O}^i$的任何$n$ -时间相关器可以被写为两个时间相关器的乘积，则理想相关器可以通过使用环境的统计知识来直接重建。我们给出了一种方法来验证这一假设的有效性实验上的额外的测量微扰量子模拟器。所提出的方法可以允许可靠的量子模拟与系统受到环境噪声，而不会增加开销的量子系统。
2018-04-11 quant-ph
When is an input state always better than the others ?: universally optimal input states for statistical inference of quantum channels
未知信道的统计估计和测试是近年来研究的热点。在优化推理过程中，一个重要的步骤是优化输入状态，这通常取决于推理的类型（估计或测试等），但有时，存在一个普遍最优的输入状态，或对所有的统计推断和所有的风险函数最好的输入状态。本文证明了群协变/逆变信道、单位量子比特信道和某些测量族的普遍最优状态的存在性。为了证明这些结果，我们使用了“状态族比较”的理论。我们还讨论了纠缠的有效性和输入态的自适应性。
2012-09-14 quant-ph
A universal and efficient hybrid digital-analog fermionic quantum simulator
Rice University（莱斯大学）；University of California, Davis（加州大学戴维斯分校）
提出一种通用框架，利用变分算法在现有费米子超冷原子平台上模拟超出硬件本征哈密顿量的多体系统，实现量子演化时间随逆相对误差多项式增长，提供指数级加速。
2026-06-29 cond-mat.quant-gas cond-mat.str-el physics.atom-ph
Fully-programmable universal quantum simulator with a one-dimensional quantum processor
目前的量子设备执行的特定任务是经典计算机难以完成的，并且有潜力解决材料科学和化学的量子模拟等问题，即使没有纠错。对于实际应用，非常希望重新配置设备的连接性，这对于超导量子处理器是在制造时确定的。此外，我们需要仔细设计控制线和耦合到谐振器进行测量。因此，为我们想要解决的每个问题制造新设备是一项繁琐而缓慢的工作。在这里，我们周期性地驱动一个一维链来设计模拟任意连通性的有效哈密顿量。我们证明了我们的方法的能力，通过工程驱动序列来模拟星，全对全，和环连接。我们还模拟了一个最小的例子，3-SAT问题，包括三体相互作用，这是很难实现的实验。我们的结果为在近期量子器件中进行量子模拟开辟了一个新的范例，使我们能够用单个器件和优化的驱动序列来频闪地模拟任意的哈密顿量
2020-09-02 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech
A Universal Quantum Circuit Design for Periodical Functions
我们提出了一个通用的量子线路设计，可以估计任何一维周期函数的基础上相应的傅立叶展开。该量子线路包含N个量子比特以存储关于不同N傅立叶分量的信息，以及具有用于控制操作的$M = \lceil{\log_2{N}}\rceil$的$M+2$辅助量子比特。期望的输出将在最后一个量子位$q_N$中测量，其时间复杂度为$O(N^2\lceil \log_2N\rceil^2)$的计算。我们说明的方法，通过构建方波函数的量子线路与使用IBM-QASM模拟器直接模拟得到准确的结果。该方法是通用的，可以适用于任何周期函数。
2021-08-30 quant-ph
Data-driven discovery of statistically relevant information in quantum simulators
本文提出一种基于非参数无监督学习的系统无关信息提取框架，通过内在维度度量识别量子模拟器中的主导自由度并揭示动力学简化与普适行为。
2024-02-27 cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech physics.data-an
Detailed Balance of Thermalization dynamics in Rydberg atom quantum simulators
大型复杂系统的动力学，如经典统计力学中的松弛平衡，通常服从一个主方程。该方程大大简化了复杂性，但描述了占用概率的基本信息。一个相关的基本问题是热化，一个孤立的多体量子态到一个似乎处于热平衡状态的相干演化。寻找一个有效的方程来描述这种复杂的动力学是很有价值的。在这里，我们实验研究的问题，通过观察突然淬火动力学的量子伊辛类模型实现在我们的量子模拟器，无缺陷的单原子镊子结合里德伯原子相互作用。我们发现，饱和的本地可观，热化签名，服从主方程实验构建的时间分辨监测的预淬火状态的占用概率和施加的细致平衡的原则。我们的实验符合理论，并证明了细致平衡热化动力学，不需要耦合到浴或假设的随机性。
2017-12-06 quant-ph
Quantum walk as a simulator of nonlinear dynamics: Nonlinear Dirac equation and solitons
量子漫步为基础物理的研究和实际应用提供了一个通用的工具。我们在这里从最近的{ \it nonlinear} QW的想法开始，并表明将{ \it nonlinear}引入QW可以导致大量显著的可能性，例如，模拟非线性量子动力学，从而增强了量子阱的适用性高于通用量子模拟器的现有水平。作为一个例子，我们表明，一个非线性狄拉克粒子的动力学可以在一个光学非线性量子阱平台上实现与测量为基础的前馈计划进行模拟。由前馈引起的非线性演化将自耦合机制引入（否则为线性的）狄拉克粒子，其相应地表现为\emph{soliton}。我们特别考虑了两类非线性Dirac方程，一类是标量型自耦合（Gross-Neveu模型），另一类是矢量型自耦合（Thirring模型）。使用他们已知的固定的解决方案，我们确认，我们的非线性量子阱框架是能够表现出孤立子的特征。此外，我们表明，非线性量子阱使我们能够观察和控制的弹道扩散的增强和抑制。
2015-12-28 quant-ph
Universal Quantum Circuits
我们定义并构造了有效的深度泛量子电路和几乎尺寸泛量子电路。这样的电路可以被视为量子电路的中心类的通用模拟器，并且可以用于捕获被模拟的电路类的计算能力。对于深度，我们构造通用电路，其深度与所模拟的电路相同。对于大小，在这里构造的通用电路中存在对数因子爆破。我们证明，这种结构是接近最优的。
2008-04-15 cs.CC quant-ph
More Optimal Simulation of Universal Quantum Computers
验证量子设备是否具有计算优势通常需要对其结果进行经典模拟。在$t \rightarrow \infty$的极限下，基于$L_1$ -范数的模拟的最坏情况采样成本已经稳定在$\le(2+\sqrt{2})ξ_t δ^{-1}$，其中$δ$是加性误差，而$ξ_t$是$t$ -量子比特幻态的稳定器范围。我们通过相关采样在$t$中减少前导顺序，将这个前因子减少了68倍。该结果甚至超过了现有技术和当前模拟器的平均情况，精确到乘法误差。数值模拟支持我们的证明。该技术可广泛应用于降低$L_1$最小化的成本。
2022-04-26 quant-ph
Explicit lower bounds on strong quantum simulation
我们考虑的问题，强（幅度）模拟的$n$ -量子位量子线路，并确定一个子类的模拟器，我们称之为单调。这个子类几乎包含了所有重要的模拟技术。我们证明了一个无条件的（即不依赖于任何复杂性理论的假设）和明确的$(n-2)(2^{n-3}-1)$下界的运行时间的模拟器在这个子类。假设强指数时间假设（SETH），我们进一步指出，一个通用的模拟器计算任何幅度的精度$2^{-n}/2$必须采取至少$2^{n - o(n)}$时间。最后，我们比较强大的模拟器，现有的SAT求解器，并确定的时间复杂度低于一个强大的模拟器将提高国家的最先进的SAT解决。
2018-04-30 cs.CC quant-ph
Quantum Simulation of Pairing Hamiltonians with Nearest-Neighbor Interacting Qubits
虽然通用量子计算机还远未实现，但可控量子设备的巨大进步，特别是固态系统，使物理实现“量子模拟器”成为可能。量子模拟器是能够有效模拟其他量子系统的物理设置，这些系统在经典计算机上是难以处理的。基于固态量子比特系统的各种类型的最近邻相互作用，我们提出了一套完整的算法来模拟配对哈密顿量。数值研究了每种算法对应的目标状态的保真度。我们还比较了不同类型的实验可用的哈密顿设计的算法，并分析其复杂性。此外，我们设计了一个测量方案，从模拟器中提取能谱。我们的模拟算法可能是可行的与国家的最先进的技术在固态量子器件。
2014-11-23 quant-ph
A Rydberg Quantum Simulator
在费曼之后，劳埃德详细阐述了通用量子模拟器（QS）是一种受控量子设备，它可以再现任何其他具有短程相互作用的多粒子量子系统的动力学。这种动力学可以指相干哈密顿量和耗散开放系统演化。我们研究了激光激发的大间距光学或磁性晶格中的里德伯原子如何为涉及（高阶）n体相互作用的自旋模型提供一个有效的通用QS实现。这包括模拟奇异自旋模型的哈密顿量，涉及n粒子的约束，如Kitaev复曲面代码，颜色代码，和格点规范理论与自旋液相。此外，它提供了基于工程n粒子库耦合耗散制备纠缠态的成分。我们的架构的关键基本构建块是通过辅助里德伯原子的高效和高保真的n量子比特纠缠门，包括通过光泵浦的可能的耗散时间步长。这允许通过一系列快速、并行和高保真的n粒子相干和耗散里德堡门来模拟系统的时间演化。
2012-04-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el quant-ph
Gaussian Models to Non-Gaussian Realms of Quantum Photonic Simulators
本综述系统梳理了量子光子模拟器从高斯到非高斯模型的演进，评估了主流模拟器在连续变量和离散变量系统中的能力，并重点分析了GPU张量网络、机器学习集成及HPC架构对提升模拟效率和可扩展性的作用。
2025-02-07 quant-ph
Scalable quantum simulator with an extended gate set in giant atoms
Chalmers University of Technology（查尔姆斯理工大学）
本研究提出了一种基于巨原子的可扩展量子模拟器，通过扩展门集提升电路效率，实现CZ和iSWAP门操作，并展示其在复杂开放量子多体动力学中的应用潜力。
2026-01-20 quant-ph
Hamiltonian learning for 300 trapped ion qubits with long-range couplings
针对含噪声中等规模量子时代量子模拟器哈密顿量学习成本高、缺乏高保真通用门的难题，采用全局操控与单量子比特分辨探测，实现300比特二维离子阱全连接Ising模型哈密顿量的线性资源高效学习，推动大规模离子阱量子模拟器应用。
2024-08-07 quant-ph
Quantum Simulators: Architectures and Opportunities
量子模拟器是从专门的量子实验到通用量子计算机的量子器件领域中一项很有前途的技术。这些量子设备利用纠缠和多粒子行为来探索和解决困难的科学，工程和计算问题。过去二十年的快速发展已经产生了300多个量子模拟器，这些模拟器使用各种各样的实验平台在全球范围内运行。几种物理架构的最新进展预示着量子模拟器的黄金时代，从高度优化的专用模拟器到灵活的可编程设备。这些发展使基础物理学、计算机科学和设备工程的思想得以融合。它们具有解决社会重要性问题的强大潜力，从了解重要的化学过程，到设计具有增强性能的新材料，再到解决复杂的计算问题。正如NSF“可编程量子模拟器”研讨会的参与者所代表的那样，社区的立场是，投资国家量子模拟器计划是一个高度优先事项，以加速这一领域的进展，并导致量子机器的首次实际应用。这样的计划应该解决两个重点领域：（1）支持创建可供更广泛的科学界使用的量子模拟器原型，以补充目前工业中的通用量子计算机工作;（2）支持由多研究者，多学科合作与量子模拟器软件，硬件和教育资源的混合进行的基础研究。
2019-12-20 cond-mat.quant-gas cond-mat.str-el physics.comp-ph
Quantum Kibble-Zurek mechanism and critical dynamics on a programmable Rydberg simulator
量子相变（QPT）涉及由量子涨落驱动的物质的不同状态之间的变换。这些波动在转变点周围的量子临界区域中起主导作用，其中动力学由与QPT相关的普适性质支配。虽然在从早期宇宙到玻色-爱因斯坦凝聚体的系统中，与经典热驱动相变相关的时间相关现象已经得到了广泛的研究，但理解孤立非平衡量子系统中的临界实时动力学是一个突出的挑战。在这里，我们使用一个里德伯原子量子模拟器与可编程的相互作用，研究量子临界动力学与几个不同的QPT。通过研究穿越QPT时空间相关性的增长，我们实验验证了Ising型QPT的量子Kibble-Zurek机制（QKZM），探索标度普适性，并观察到超出QKZM预测的修正。这种方法随后被用来测量与手征时钟模型相关的临界指数，提供了新的见解，以前没有被理解的异国情调的系统，并打开了大门，精密研究的临界现象，模拟格点规范理论和量子优化的应用。
2019-04-01 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Statistical Localization in a Rydberg Simulator of $U(1)$ Lattice Gauge Theory
Centre for Quantum Technologies and Department of Physics, National University of Singapore（新加坡国立大学量子技术中心与物理系）；Department of Physics, Stanford University（斯坦福大学物理系）；Duke Quantum Center, Duke University（杜克大学杜克量子中心）；Department of Electrical and Computer Engineering, Duke University（杜克大学电气与计算机工程系）；Department of Physics, Duke University（杜克大学物理系）
该研究在Rydberg模拟器中首次实验观察到统计定位现象，揭示了非局部守恒量在强希尔伯特空间碎片化下的局部分布特性。
2025-05-23 cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech hep-lat
Probing the Universality of Topological Defect Formation in a Quantum Annealer: Kibble-Zurek Mechanism and Beyond
通过量子相变驱动的系统中产生的拓扑缺陷的数量与驱动时间呈幂律比例关系。这种普遍的标度律是Kibble-Zurek机制（KZM）的关键预测，使用基于硬件的量子模拟器对其进行测试是量子信息科学的一个令人垂涎的目标。在这里，我们使用量子退火提供这样的测试。具体来说，我们报告了广泛的实验测试拓扑缺陷形成通过一维横向场伊辛模型两个不同的D波量子退火设备。我们发现，量子模拟器的结果确实可以解释的KZM为开放系统的量子动力学相位翻转错误，与理论的某些定量偏差可能造成的因素，如随机控制误差和瞬态效应。此外，我们探测物理超越KZM识别签名的普遍性的分布和累积量的扭结的数量和它们的衰变，并再次找到协议的量子模拟器的结果。这意味着广义KZM理论的理论预测，假设与环境隔离，适用于超出其原来的范围，以开放系统。我们通过大量的数值计算来支持这一结果。为了检查这些结果的替代经典解释是否可能，我们使用了自旋矢量蒙特卡罗模型，这是D波器件的候选经典描述。我们发现，从D波退火装置的实验数据的一致性程度是更好的KZM，量子理论，比经典的自旋矢量蒙特卡罗模型，从而有利于量子描述的设备。我们的工作为开放量子系统中的量子临界动力学提供了一个实验测试，并为量子模拟实验的新方向铺平了道路。
2020-05-26 cond-mat.stat-mech quant-ph
Observation of a Many-Body Dynamical Phase Transition with a 53-Qubit Quantum Simulator
量子模拟器是一种受限的量子计算机，它控制量子比特之间的相互作用，可以映射到某些困难的量子多体问题。随着对更大数量的量子比特施加更多的控制，模拟器可以解决更广泛的问题，最终极限是可以解决一般类别的困难问题的通用量子计算机。我们使用一个量子模拟器组成的53量子比特来研究非平衡相变的横向磁场伊辛模型的磁性，在一个制度，传统的统计力学不适用。量子比特由捕获的离子自旋表示，可以在各种初始纯态中制备。我们应用具有可控强度和范围的全局远程伊辛相互作用，并以接近99%的效率测量每个单独的量子位。这允许单次测量任意多体相关性，用于直接探测动态相变和揭示依赖于量子位之间的长程相互作用和高连通性的计算上难以处理的特征。
2017-08-04 cond-mat.stat-mech quant-ph
