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以海森堡极限标度学习多体哈密顿量

Learning many-body Hamiltonians with Heisenberg-limited scaling

California Institute of Technology(加州理工学院);University of California, Berkeley(加州大学伯克利分校);Simons Institute for the Theory of Computing(西蒙斯计算理论研究所);Microsoft Quantum(微软量子)

Hsin-Yuan Huang, Yu Tong, Di Fang, Yuan Su

AI总结:

本文提出首个达到海森堡极限的多体哈密顿量学习算法,通过量子模拟解耦与量子增强分治方法,将总演化时间从 $\mathcal{O}(ε^{-2})$ 降至 $\mathcal{O}(ε^{-1})$,并证明其渐近最优性。

摘要:

从动力学中学习多体哈密顿量是物理学中的一个基本问题。在这项工作中,我们提出了第一个在学习相互作用的 $N$ 量子比特局域哈密顿量时达到海森堡极限的算法。在总演化时间为 $\mathcal{O}(ε^{-1})$ 之后,所提算法能够以高概率将 $N$ 量子比特哈密顿量中的任意参数估计到 $ε$ 误差。所提算法对态制备和测量误差具有鲁棒性,不需要本征态或热态,并且仅使用 $\mathrm{polylog}(ε^{-1})$ 次实验。相比之下,以往最好的算法,例如最近使用基于梯度的优化或多项式插值的工作,需要 $\mathcal{O}(ε^{-2})$ 的总演化时间和 $\mathcal{O}(ε^{-2})$ 次实验。我们的算法利用量子模拟的思想将未知的 $N$ 量子比特哈密顿量 $H$ 解耦为非相互作用的子块,并通过量子增强的分治方法学习 $H$。我们证明了一个匹配的下界,以确立我们算法的渐近最优性。

英文摘要:

Learning a many-body Hamiltonian from its dynamics is a fundamental problem in physics. In this work, we propose the first algorithm to achieve the Heisenberg limit for learning an interacting $N$-qubit local Hamiltonian. After a total evolution time of $\mathcal{O}(ε^{-1})$, the proposed algorithm can efficiently estimate any parameter in the $N$-qubit Hamiltonian to $ε$-error with high probability. The proposed algorithm is robust against state preparation and measurement error, does not require eigenstates or thermal states, and only uses $\mathrm{polylog}(ε^{-1})$ experiments. In contrast, the best previous algorithms, such as recent works using gradient-based optimization or polynomial interpolation, require a total evolution time of $\mathcal{O}(ε^{-2})$ and $\mathcal{O}(ε^{-2})$ experiments. Our algorithm uses ideas from quantum simulation to decouple the unknown $N$-qubit Hamiltonian $H$ into noninteracting patches, and learns $H$ using a quantum-enhanced divide-and-conquer approach. We prove a matching lower bound to establish the asymptotic optimality of our algorithm.

机构、总结、中文摘要均由AI分析而来,可能存在错误,请以论文正文为准。

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