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
Energy Dissipation in Quantum Computers
描述了一种用于计算由于量子相位信息的损失而在量子计算机中产生的热量的方法。令人惊讶的是，这种热量产生可以在零温度下发生。这可以解释为什么不可能从真空涨落中提取能量。光学计算机和量子宇宙学的影响也简要讨论。
2003-10-15 quant-ph
Calculating the energy profile of an enzymatic reaction on a quantum computer
本研究结合FAST-VQE算法、基于命题可满足性的量子门约简策略与经典-量子混合方法，首次在NISQ设备上实现碳酸酐酶催化CO₂水合反应决速步骤的模拟，提升了量子计算分子建模的准确性与实用性。
2025-05-21 quant-ph
Detailed assessment of calculating drag force with quantum computers: Explicit time-evolution precludes exponential advantage for nonlinear differential equations
L3Harris Technologies, Inc.（L3Harris科技公司）；Georgia Tech Research Institute（佐治亚理工学院研究院）；Zapata AI（Zapata人工智能）；MIT Lincoln Laboratory（麻省理工学院林肯实验室）；Boston Consulting Group（波士顿咨询公司）
本文研究量子计算机在计算阻力力方面的有效性，发现显式时间演化方法无法提供指数优势，因非线性微分方程的演化特性限制了量子计算的潜力。
2025-12-08 quant-ph
Relaxation Method For Calculating Quantum Entanglement
在之前的一篇论文中，我们展示了如何将形成纠缠定义为量子条件互信息（a.k.a.）的最小值。量子条件信息传输）。在经典信息论中，Arimoto-Blahut方法是计算互信息极值的首选方法之一。在本文中，我们提出了一种新的方法，类似于Arimoto-Blahut方法，计算纠缠的形成。我们还提出了几个例子计算的计算机程序称为Causa Comun，实现本文的想法。
2001-06-22 quant-ph
Quantum Circuit For Discovering from Data the Structure of Classical Bayesian Networks
我们给出了一些量子线路，用于计算给定数据$D$的图$G$的概率$P(G|D)$。$G$与图中每个节点的转移概率矩阵一起构成了经典贝叶斯网络，简称CB网。以前已经给出了计算$P(G|D)$的贝叶斯方法（所谓的结构模块化和有序模块化模型），但是这些早期的方法被设计为在经典计算机上工作。本文的目标是“量子计算”这些早期的方法。
2014-03-31 quant-ph
Calculating potential energy surfaces with quantum computers by measuring only the density along adiabatic transitions
本文提出仅测量绝热跃迁过程中的密度并结合逆实时含时密度泛函理论势的线积分，在量子计算机上高效生成化学精度势能面，所需演化时间短于相位估计方法。
2024-10-04 quant-ph
Assessing the Practical Feasibility of the Clader-Jacobs-Sprouse Quantum Algorithm for Calculating Radar Cross Sections
该研究评估了Clader-Jacobs-Sprouse量子算法在计算雷达散射截面中的实际可行性，以改进对新兴目标雷达行为的建模与预测。
2026-02-24 quant-ph
Calculating transition amplitudes by variational quantum deflation
变分量子本征求解器（VQE）是近期量子计算机应用的一个有吸引力的候选者。在[Higgot等人，量子3，156（2019）]，被称为变分量子紧缩（VQD），扩展了VQE框架寻找哈密顿量的激发态的能力。然而，没有方法来评估之间的跃迁振幅的VQD发现的本征态，而不使用任何昂贵的阿达玛测试的电路已被提出，尽管它的重要性，如分子的振子强度计算系统的属性。在这里，我们提出了一种方法来评估之间的过渡振幅的VQD获得的本征态避免任何阿达玛测试的电路。我们的方法只依赖于估计两个状态之间的重叠的能力，因此它不限于VQD本征态，并适用于一般情况。为了支持我们的方法的意义，我们提供了一个全面的比较，以前提出的三种方法来找到激发态与三个分子（氢化锂，二氮烯，偶氮苯）在无噪声的情况下的数值模拟，并发现VQD方法表现出最好的性能在三种方法。最后，我们通过计算氢化锂的振子强度，比较数值模拟和云使能量子计算机IBMQ罗马上的实际硬件实验的结果，证明了我们的方法的有效性。我们的结果说明了VQD在寻找激发态方面的优越性，并拓宽了它对各种量子系统的适用性。
2021-05-13 cond-mat.str-el physics.chem-ph quant-ph
Efficient Evaluation of Exponential and Gaussian Functions on a Quantum Computer
指数函数和高斯函数是最基本和最重要的运算之一，在科学、工程和数学的所有领域都无处不在。虽然在形式上，众所周知，任何功能原则上都可以在量子计算机上实现，但实际上，当今的算法往往非常昂贵。在这项工作中，我们提出了在量子计算机上有效地评估指数和高斯函数的算法。这些实现需要（通常）少量乘法，这代表了整体计算瓶颈。对于一个具体的，现实的NISQ应用程序，指数函数的Toffoli计数被发现从15，690减少到912，当与Häner和同事的最先进的竞争方法[arXiv：1805.12445]相比，在每种方法的最有利条件下。对于相应的高斯函数比较，Toffoli计数从19，090减少到704。空间要求也相当适度，在某种程度上，上述NISQ应用可以用少至71个逻辑量子比特来实现。更一般地，这里提出的方法也可以同样很好地应用于容错环境中，使用纠错乘法等。
2021-10-12 quant-ph
Calculating the ground state energy of benzene under spatial deformations with noisy quantum computing
本文利用变分量子本征求解器（VQE）计算了苯分子在空间形变下的基态能量。该研究的主要目标是评估在近期设备上使用量子计算ansatze的可行性，以解决经典方法失败的区域中的大量轨道问题。此外，通过将我们先进的模拟平台与真实的量子计算机相结合，我们分析了量子计算机固有的噪声如何影响结果。我们的研究中心是硬件有效的量子么正耦合团簇模型（qUCC）。首先，我们发现，硬件有效的anomaly有可能优于平均场方法的极端变形的苯。然而，关键问题仍然处于平衡状态，阻碍了真正的化学应用。此外，硬件有效的ananastomotive产生的结果，强烈依赖于参数的初始猜测-无论是在有噪声和无噪声的情况下-和优化问题有更高的影响，他们的收敛比噪声。通过与真实的量子计算实验的比较证实了这一点。另一方面，qUCC替代物表现出更深的电路。因此，噪声效应增加并且是如此极端，以致于该方法永远不会优于平均场论。我们的双模拟器/qUCC的8-16量子比特QPU计算似乎对硬件噪声比散粒噪声更敏感，这进一步表明了降噪工作应该指向哪里。最后，研究表明，qUCC方法更好地捕捉系统的物理，因为qUCC方法可以与H克尔近似我们讨论了如何超越这个近似急剧增加优化复杂性这样一个困难的问题。
2022-11-10 physics.chem-ph quant-ph
Homodyne measurement of exponential phase moments for quantum-phase reconstruction
我们直接从零差输出中对各种量子态的正则相位的指数矩进行采样。该方法使我们能够在实验上研究相位特性，而不需要通过重建密度矩阵或Wigner函数并从它们计算相位统计来绕道而行。特别是，结合测量的光子数方差的测量，我们验证基本的数量相位不确定性。
1998-02-09 quant-ph
QGeo: A Python package for calculating geodesic control functions for quantum computing
QGeo是一个Python包，利用几何量子复杂度数值计算量子计算机上制备酉变换的难度，并分析了多种量子电路。
2025-04-22 quant-ph
Exponential challenges in unbiasing quantum Monte Carlo algorithms with quantum computers
最近，Huggins et.等人[Nature，603，416-420（2022）]设计了一种适用于在量子计算机上实现的通用投影量子蒙特卡罗方法。然而，这种混合方法依赖于一个子程序-量子计算机上的局部能量估计器的计算-它本质上受到计算时间与量子位数的指数缩放的影响。通过数值实验，我们表明，这种指数标度已经显着低于“量子优势“点的系统。对于典型的横向场伊辛模型，我们表明，所需的时间资源，以竞争与经典模拟约40量子位已经是$10^{13}$投影测量的顺序，与超导硬件上的估计运行时间为几千年。这些观察结果强烈表明，所提出的混合方法，在其目前的形式，是不可能提供一个相当大的优势，比传统的量子蒙特卡罗方法。
2022-05-18 cond-mat.stat-mech cond-mat.str-el quant-ph
Calculating the Projective Norm of higher-order tensors using a gradient descent algorithm
Visvesvaraya National Institute of Technology（维斯瓦纳亚国家理工学院）；Politehnica University of Timişoara（蒂米什瓦拉理工大学）
本文提出了一种基于梯度下降的算法，用于计算高阶张量的投影范数，解决了计算高阶张量投影范数的NP难问题，并验证了其在纯态和混合态中的有效性。
2025-08-11 quant-ph
Calculating Unknown Eigenvalues with a Quantum Algorithm
当在量子计算机上实现时，量子算法能够比传统算法以指数速度解决特定问题。然而，迄今为止的所有演示都需要已经知道答案来构建算法。我们已经实现了完整的量子相位估计算法的一个单一的量子比特幺正，其中的答案是由算法计算。我们使用一种新的方法来实现控制酉操作，这是大多数量子算法的核心，更有效，不需要知道酉的本征值。这些结果指出了有效的量子模拟和量子精密测量的应用程序在短期内，并在长期的大数字分解的方式。这种方法是架构独立的，因此可以在其他物理实现中使用。
2011-10-19 quant-ph
Calculating strongly correlated ground states from the non-Markovian dissipative dynamics of Gaussian fermions
Università di Catania（卡塔尼亚大学）
该研究介绍相互作用费米子哈密顿量基态与纯耗散开放量子系统非平衡稳态的映射，通过第三次量子化将费米 - 哈伯德哈密顿量映射到作用于马约拉纳费米子的林德布拉德跃迁算符，虽单个轨迹可高效模拟，但总体计算成本仍高，需进一步研究非马尔可夫解开效率。
2026-10-16 cond-mat.str-el quant-ph
EVA: a quantum Exponential Value Approximation algorithm
VQE是目前使用量子计算机优化问题的最广泛使用的算法之一。该算法中的一个必要步骤是计算给定状态的期望值，该期望值通过将哈密顿量分解为泡利算子并获得每个泡利算子的期望值来计算。在这项工作中，我们设计了一个算法，能够计算这个值使用一个单一的电路。已经进行了时间成本研究，并且已经发现，在某些更复杂的哈密顿量中，有可能获得优于当前方法的良好性能。
2021-06-16 quant-ph
Scalable NMR Quantum Computation
核磁共振为量子计算机的实现提供了一个诱人的前景，因为与核自旋相关的长相干时间，以及用射频脉冲操纵自旋的广泛实验室经验。然而，现有的方案受到信噪比的影响，该信噪比在量子计算机中的量子比特数量上呈指数衰减。这就严格限制了这种计算机所能完成的计算量;对这一限制的估计正好在传统计算机采取指数级更多步骤仍然可行的范围内。我们给出了一个NMR实现，其中的信噪比只取决于NMR技术的特点，而不是计算机的大小。这为NMR计算技术提供了一种方法，可以扩展到指数加速使量子计算能够解决经典计算机能力之外的问题。
1998-04-24 quant-ph
Calculating spherical harmonics without derivatives
球谐函数的推导在几乎所有的量子力学教科书和课堂上都是相同的。它被发现是很难遵循，难以理解，并具有挑战性的重现大多数学生。在这项工作中，我们展示了如何可以确定球谐函数在一个更自然的方式的基础上运营商和一个强大的身份称为指数解纠缠运营商身份（已知在量子光学，但很少在其他地方使用）。在引入狄拉克符号，计算角动量代数，并确定角动量升降算符对同时角动量本征态的作用（在$\hat L^2$和$\hat L_z$下）之后，这种新的策略就自然地出现了。
2018-09-27 math-ph math.MP quant-ph
Quantum criticality analysis by finite size scaling and exponential basis sets
我们结合有限尺寸标度方法和无网格谱方法计算了给定哈密顿量的量子临界参数。其基本思想是将精确波函数在有限指数基组中展开，并将系统临界信息从有限基组外推到无限基组极限。所使用的指数基集-虽然是直观选择的-允许处理非常宽范围的指数衰减率，并同时计算多个特征值。作为一个基准系统来说明组合的方法，我们选择Hulthen潜力。结果表明，与其他基函数相比，该方法具有较高的精度和较快的收敛速度。该方法是通用的，并可以扩展到研究近阈值现象的原子和分子系统的基础上均匀回火指数和高斯基函数。
2013-04-28 quant-ph
Efficient Two-Electron Ansatz for Benchmarking Quantum Chemistry on a Quantum Computer
量子化学为近期的量子计算提供了关键的应用，但由于噪声的存在，这些应用变得非常复杂。在这项工作中，我们提出了一个有效的计算内的混合量子经典算法的双电子原子和分子的Ankaly。该模型利用了双电子系统的基本结构，并分别在量子计算机和经典计算机上处理非定域和定域自由度。这里的非局部自由度的比例线性相对于基础集的大小，给出了一个线性的ananimals只有$\mathcal{O}(1)$电路准备所需的减少状态层析成像。我们在两台公开的量子计算机上实现了这个基准测试，计算了${\rm H}_\textrm{2}^{}$和${\rm H}_\textrm{3}^+$的4-和6-量子位计算的精确解离曲线。
2020-04-21 quant-ph
Calculating trace distances of bosonic states in Krylov subspace
École polytechnique de Montréal（蒙特利尔理工学院）
本文提出了一种基于广义兰茨科斯算法的高效方法，用于计算纯态与混合高斯态之间的迹距离，并扩展到非高斯态，为连续变量量子系统提供实用的状态认证工具。
2026-03-10 quant-ph
Single magnon excited states of a Heisenberg spin-chain using a quantum computer
自旋链的激发态在凝聚态物理中起着重要的作用。我们提出了一种计算海森堡自旋链单磁振子激发态的方法，该方法可以在量子处理器上有效地实现小自旋链。我们的方法包括找到能量与波数曲线的稳定点。我们实现我们的方法，4-网站和8-网站海森堡哈密顿使用数值技术，以及使用IBM量子处理器。最后，我们给出了一个深入了解我们提出的方法的电路复杂性和缩放。
2022-06-30 cond-mat.str-el quant-ph
Exponential Communication Complexity Advantage from Quantum Superposition of the Direction of Communication
在通信复杂性中，许多远距离方的任务是计算其输入的分布函数，同时最小化它们之间的通信量。众所周知，利用量子资源，例如纠缠和量子信道，可以显著降低某些任务的通信复杂度。在这项工作中，我们研究的作用的量子叠加的方向的通信作为一种资源的通信复杂性。我们提出了一个三方的通信任务，这样的叠加允许通信中的指数节省，相比单向量子（或经典）通信的优势也持有当我们允许有界错误概率的协议。
2016-09-09 quant-ph
Use of Quantum Sampling to Calculate Mean Values of Observables and Partition Function of a Quantum System
我们描述了一种用量子计算机计算量子系统的观测量平均值和配分函数的算法。我们的算法包括两个子算法。第一个子算法是计算，多项式效率，某些对角矩阵元素的观察。该子算法在量子计算机上进行，使用量子相位估计和层析成像。第二子算法用于对概率分布进行采样。该子算法不是多项式有效的。它可以在经典计算机或量子计算机上执行，但量子计算机可以以二次方的速度执行。
2010-11-09 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
Simulation of Classical Thermal States on a Quantum Computer: A Transfer Matrix Approach
提出了一种量子-经典混合算法，在量子计算机上模拟经典哈密顿算符的热态。我们的方案采用了一系列局部控制的旋转，通过一次添加一个量子位来建立所需的状态。我们确定了一类经典模型，我们的方法是有效的，避免了潜在的指数开销遇到Grover或量子大都市计划。我们的算法也给出了一个指数的优势，二维伊辛模型与磁场的正方形格子，与以前已知的Zalka的算法相比。
2010-07-20 quant-ph
An analytical error model for quantum computer simulation
量子计算机（QC）必须实现量子纠错码（QECC）来保护其逻辑量子比特不受错误的影响，对QECC在QC上的有效性建模是评估QC体系结构的重要问题。先前开发的蒙特卡罗（MC）误差模型可能需要数天或数周的执行才能产生准确的结果，这是由于它们的随机抽样方法。我们提出了一种替代的分析误差模型，该模型在执行量子程序的过程中生成QC的错误状态的概率树。通过直接计算量子程序的保真度，当应用于小而有用的问题大小时，这种误差模型有可能比MC模型加速。当需要精度时，我们观察到大约1,000倍的加速，并且我们评估了这个新的分析误差模型的缩放特性。
2008-01-03 quant-ph
Hiking a generalized Dyck path: A tractable way of calculating multimode boson evolution operators
通过对相互作用哈密顿量$H$取幂给出了相互作用图中的时间演化算子。在量子光学、凝聚态和高能物理中经常遇到的哈密顿量的重要例子是一般形式的$H=r(A^\dagger-A)$，其中$A$是多模玻色子算符，而$r$是耦合常数。如果不存在演化算子的简单因式分解公式，则演化算子的计算是一个众所周知的困难问题。在这种情况下，唯一可用的选项可能是Taylor展开$r$中的运算符，并作用于感兴趣的状态$ψ$。但是这种暴力方法很快就遇到了复杂性的障碍，因为计算表达式的数量呈指数级增长。我们涉及一个组合结构称为戴克路径的玻色子字（单项式）和一个大类的单项式和量子态$ψ$的行动。这使我们能够跨越指数差距，并使问题的玻色子酉算子评估计算上易于处理的实现多项式时间复杂性的一个广泛的家庭的物理有趣的多模哈密顿。我们进一步测试我们的方法上的三次玻色子哈密尔顿的泰勒级数是众所周知的发散的所有非零值的耦合常数和解析的延续通过Padé近似必须执行。
2015-06-25 cond-mat.mes-hall math-ph math.MP
Predicting excited states from ground state wavefunction by supervised quantum machine learning
分子的激发态是光化学和化学反应的核心。量子计算化学的最新发展导致了在近期量子计算机上计算分子的激发态的各种算法的发明，但是它们需要比用于计算基态的算法更多的计算负担。在这项研究中，我们提出了一个监督量子机器学习的计划，预测激发态的性质的分子只从他们的基态波函数，从而减少计算的激发态的计算成本。我们的模型由一个量子库和一个经典的机器学习单元组成，机器学习单元处理单量子比特泡利算子的测量结果和库的输出状态。量子库有效地将单量子比特算子转换为包含系统基本信息的复杂多量子比特算子，以便经典机器学习单元可以适当地解码它们。通过只训练经典机器学习单元，节省了量子计算机的运行次数，并且整个模型需要在当前实验中可以实现的量子硬件的适度资源。我们说明了我们的模型的预测能力，通过数值模拟的小分子不可避免的噪声，在近期的量子计算机。结果表明，我们的方案仅以基态为输入，就能很好地再现基态和激发态之间的第一、第二激发能以及跃迁偶极矩.我们希望我们的贡献将促进量子计算机在量子化学和量子材料研究中的应用。
2020-11-04 cond-mat.str-el physics.chem-ph quant-ph
Exponential algorithmic speedup by quantum walk
我们建立一个神谕（即，黑盒）问题，可以在量子计算机上比在经典计算机上以指数速度解决。该量子算法基于连续时间量子行走，因此采用了与基于量子傅立叶变换的先前量子算法不同的技术。我们展示了如何在我们的神谕设置有效地实现量子行走。然后，我们将展示如何通过快速遍历图来使用这种量子行走来解决我们的问题。最后，我们证明了没有一个经典的算法可以解决这个问题的高概率在次指数时间。
2002-10-25 quant-ph
Analogue algorithm for parallel factorization of an exponential number of large integers I. Theoretical description
我们描述了一种新的模拟算法，允许同时因式分解的指数数量的大整数与多项式数量的实验运行。它是在模拟计算机的输出处测量的“因子分解”干涉图的干涉引起的周期性，其允许选择每个整数的因子[1，2，3，4]。在现阶段，该算法表现出指数缩放，这可以通过将该方法扩展到从n阶量子相关测量中出现的相关量子比特来克服。我们描述了一个通用的物理系统计算这样的模拟算法的条件。在本系列的第二篇论文中将讨论基于光干涉的“光计算机”给出的一个特殊例子。
2015-05-18 quant-ph
Polynomial Simulations of Decohered Quantum Computers
我们正式定义解相干量子计算机（使用密度矩阵），并提出了一个模拟他们的概率经典图灵机。我们研究了两种情况下的模拟的减速：（1）顺序量子计算机，或量子图灵机（QTM），和（2）并行量子计算机，或量子线路。本文表明，退相干量子计算机的计算能力强烈依赖于计算中的并行量。对于任何非零的退相干率，QTM的模拟的预期减速在量子计算的时间和空间上是多项式的。这意味着受到任何数量的噪声的QTM是毫无价值的。对于退相干量子线路，情况更加微妙，取决于退相干率η。我们发现，我们的模拟是有效的电路的退相干率高于一些常数，但指数的退相干率低于其他一些常数的一般电路。通过计算机实验，我们证明了在较短的退相干率范围内从指数代价到多项式代价的转变，并展示了各种量子线路中的相变。
1996-11-17 quant-ph
Solving various NP-Hard problems using exponentially fewer qubits on a Quantum Computer
本文提出一种随问题规模对数级扩展的量子优化方法，在NISQ设备上以指数级减少的量子比特数求解最大割、最大团等NP难问题，将可处理图规模提升近十倍。
2024-01-12 quant-ph
Playing Quantum Monty Hall Game in a Quantum Computer
在这里，我们提出了一个非常著名的统计决策问题的量子版本，其经典版本对许多人来说是违反直觉的。Monty Hall游戏可以被描述为Alice和Bob之间的双人游戏。在他们的开创性工作中，Flitney和Abbott [Phys. Rev. A 65，062318（2002）]表明，通过使用Alice和Bob的选择的最大纠缠系统，并使用量子策略，Bob和Alice可以根据任何一个玩家选择的策略而赢或输。在这里，我们开发了一个新的量子算法与量子线路玩量子蒙蒂霍尔游戏的用户。我们的量子算法使用叠加和纠缠的量子原理，以便它可以在量子计算机上有效地发挥作用。我们提出了两个方案，一个计算赢或输的概率，另一个决定是否一个球员（说爱丽丝）赢或不。
2019-01-22 quant-ph
On Calculating the Dynamics of Very Large Quantum Systems
由于耦合量子系统的状态空间的指数增长，一般来说，在经典计算机中数字存储大量量子系统的状态是不可能的。我们展示了一种方法来模拟非常大量的相互作用的量子系统的可测量量的动力学行为。我们的方法利用了一个符号的非交换代数引擎，我们最近开发的结合著名的Eschlafest定理。在这里，我们显示的可能性，确定实验上可观察到的量的动态，没有近似，非常大量的相互作用的谐振子。我们的分析消除了以前对这个示例系统的分析中存在的大量重要约束（例如在初始状态中没有纠缠）。这种方法在模拟大型量子机器的运行、量子系统中的涌现行为、开放量子系统和量子化学等方面都有价值。
2017-02-06 physics.comp-ph quant-ph
Benchmarking the Variational Quantum Eigensolver through Simulation of the Ground State Energy of Prebiotic Molecules on High-Performance Computers
我们使用Qiskit软件包中的变分量子本征求解器（VQE）来计算来自水（H $_2$ O）和氰化氢（HCN）的小分子的基态能量。这项工作的目的是基准算法计算电子结构和能量表面的分子相关的前生物化学，开始与水和氰化氢，并运行它们在可用的模拟和物理量子硬件。小型量子处理器算法的数值计算使我们能够设计出更有效的协议，并在实际硬件中运行，以及分析它们的性能。未来在可访问的量子处理原型上的实现将对量子计算机进行基准测试，并使用启发式量子算法来测试量子优势。
2021-01-05 quant-ph
What limits the simulation of quantum computers?
有用的量子计算机必须非常难以经典模拟;否则经典计算机可以用于量子计算机的应用。完美的量子计算机无疑是指数级难以模拟的：所需的经典资源随着量子位数$N$或电路深度$D$呈指数级增长。然而，真正的量子计算设备的特征在于指数衰减的保真度$\mathcal{F} \sim (1-ε)^{ND}$，其中每个操作的错误率$ε$与当前设备的$\approx 1\%$一样小。在这项工作中，我们证明了可以以完美量子计算机所需成本的一小部分来模拟真正的量子计算机。我们的算法使用矩阵乘积态（MPS）压缩量子波函数的表示，非常准确地捕获具有低到中等纠缠的状态。这种压缩引入了有限的错误率$ε$，使得算法紧密地模仿真实量子计算设备的行为。我们的算法的计算时间仅与$N$和$D$线性增加。我们说明了我们的算法与模拟的随机电路的量子位连接在一维和二维晶格。我们发现，$ε$可以减少在一个多项式的成本计算能力下降到最小的错误$ε_\infty$。低于$ε_\infty$要求计算资源随着$ε_\infty/ε$呈指数级增长。对于$N=54$量子位的二维阵列和具有Control-Z门的电路，可以在几个小时内在笔记本电脑上获得比最先进的设备更好的错误率。对于更复杂的门，例如交换门之后是受控旋转，对于类似的计算时间，错误率增加了三倍。
2020-03-24 cond-mat.str-el quant-ph
Quantum Computing without Quantum Computers: Database Search and Data Processing Using Classical Wave Superposition
量子计算是一个新兴的科学领域，它最终将引导我们开发出新的强大的逻辑器件，其功能远远超出当前基于晶体管的技术的限制。量子计算机可以从根本上比传统数字计算机更快地解决某些类型的问题。存在需要叠加和纠缠的量子算法（例如Shor算法）。但无论是Grover算法还是Deutsch和Jozsa的第一个量子算法都不需要纠缠。有没有可能利用经典的波叠加来加速数据库搜索？这个有趣的问题由S.劳埃德得出的结论是，依赖于波干涉的经典设备可以提供与量子设备相同的经典数字设备的加速。利用光束叠加法对Grover算法进行了仿真实验。得出的结论是，使用经典波叠加伴随着资源的指数增加的成本。从那时起，人们普遍认为，将经典波叠加用于量子算法不可避免地导致指数级的资源开销（设备数量，功耗，精度要求）。在这项工作中，我们描述了一个经典的Oracle机，利用经典的波叠加数据库搜索和数据处理。我们目前的实验数据磁数据库搜索使用自旋波叠加。数据显示，在没有任何指数级资源开销的情况下，数字计算机的基本加速。我们认为，在某些情况下，经典的基于波的方法可以提供相同的加速数据库搜索量子计算机。
2020-12-15 quant-ph
Comment on the Quantum Supremacy Claim by Google
量子计算有望在时间尺度上执行某些计算任务，比现有经典计算机上的任何已知算法都快得多，例如计算大整数的素因子。最近，谷歌的一个研究团队声称已经用量子计算机完成了这样一项任务，在实践中展示了这种所谓的量子霸权。在这里，我们认为这种说法是不合理的。与其他评论不同，我们的批评与量子计算的输出数据的丢失验证有关。
2021-08-29 quant-ph
Towards Cosmological Simulations of Dark Matter on Quantum Computers
在经典计算机上进行最先进的宇宙学模拟受到时间、能量和内存使用的限制。量子计算机可以比经典计算机以指数级更快的速度执行某些计算，使用指数级更少的能量和内存，并且可以实现非常大的模拟，准确地捕获宇宙中具有统计代表性的宇宙体积内的整个动态结构范围。然而，并非所有的计算任务都表现出“量子优势”。量子线路线性作用于量子态，因此非线性（例如宇宙学模拟中的自引力）构成了一个重大挑战。在这里，我们概述了一种潜在的方法来克服这一挑战，并解决（非线性）薛定谔-泊松方程的自引力暗物质的演化，基于混合量子经典变分算法框架（Lubasch 2020）。我们用一个概念验证的模拟量子模拟来演示这种方法，设想未来量子计算机有一天将领导暗物质的模拟。
2021-02-05 astro-ph.CO quant-ph
Inverse linear versus exponential scaling of work penalty in finite-time bit reset
位复位是不可逆计算中的一个基本操作。这会消耗计算机的工作和能量，从而限制未来不可逆计算机的速度和能源效率。它最近被显示在[物理。127，190602（2021）]，对于有限时间重置协议，在准静态协议之上的附加工作总是可以通过考虑两级系统来最小化，并且然后通过物理速度限制来下界。一个重要的问题是要了解在什么协议参数下，包括比特重置错误和最大能量移位，这种惩罚在协议时间内呈指数下降，而不是线性下降。在这里，我们提供了几个分析结果来解决这个问题，以及协议的具体例子的数值模拟。
2022-05-29 quant-ph
The Multiphoton Boson Sampling Machine Doesn't Beat Early Classical Computers for Five-boson Sampling
本文提出了一种新的计算n * n矩阵积和式的算法--Store-zechin算法，它重复利用存储数据。分析表明，新算法所需的乘法和加法运算次数分别远小于著名的Ryser算法。特别是对于一个5-玻色子采样任务，Store-zechin算法在ENIAC和TRADIC上计算相应的积和式的运行时间比在多光子玻色子采样机上的运行时间要短（简称MPBSM），因此MPBSM并没有击败早期的经典计算机（尽管如此，当n变得足够大时，量子玻色子采样机可能会击败经典计算机）。在计算机上，人们可以设计一个以空间换时间的算法，而在MPBSM上，人们不能这样做，这是通用计算机与MPBSM的最大区别。这种差异正是MPBSM不能被称为（光子）量子计算机的原因。
2019-01-05 cs.CC quant-ph
Calculating Vibronic Spectra with a linear algorithm based on Gaussian Boson Sampling
本研究提出基于高斯玻色采样的线性算法，有效计算分子振动光谱，实现高保真度，并具有可扩展性，仅需固定最少光学组件。
2025-08-05 physics.chem-ph physics.comp-ph physics.optics
Exploring Finite Temperature Properties of Materials with Quantum Computers
纳米材料的热性质不仅对提高我们对凝聚态系统的基本理解至关重要，而且对开发用于研究和工业应用的新型材料也至关重要。由于量子效应出现在纳米尺度上，这些系统很难在经典计算机上模拟。量子计算机可以有效地模拟量子多体系统，但目前用于计算这些系统的热特性的量子算法会产生显著的计算成本，因为它们要么在量子计算机上准备完整的热态，要么必须从随系统大小而增长的分布中采样许多纯态。正则热纯量子（TPQ）态提供了一个有前途的途径来估计量子材料的热性质，因为它们既不需要准备完整的热态，也不需要越来越多的样品与系统的大小。在这里，我们提出了一个在量子计算机上制备正则TPQ态的算法。我们比较了三种不同的电路实现的算法，并证明了它们的能力，估计量子材料的热性能。由于其随着系统尺寸和实现灵活性而提高的精度，我们预计这种方法将使相关量子材料在短期量子计算机上的有限温度探索成为可能。
2022-08-25 quant-ph
Exact simulation of Gaussian Boson Sampling in polynomial space and exponential time
本文介绍了一种精确的经典算法来模拟高斯玻色子采样（GBS）。该算法的复杂性是探测到的光子数量的指数，这本身是一个随机变量。对于固定数量的模式，复杂性实际上等于计算输出概率的复杂性，直到常数前因子。该仿真算法可以推广到其他模型，如GBS与阈值检测器，GBS与位移，和高斯状态的采样线性组合。在将非负矩阵编码到GBS设备中的特定情况下，我们的方法导致具有多项式运行时间的近似采样算法。我们实现的算法，使代码公开的Xanadu的海象库的一部分，并基准测试其性能GBS随机Haar干涉仪和编码Erdens-Renyi图。
2020-11-16 quant-ph
A Polynomial Time Quantum Algorithm for Exponentially Large Scale Nonlinear Differential Equations via Hamiltonian Simulation
研究提出利用Koopman-von Neumann线性化将非线性ODE系统映射为稀疏哈密顿量，结合最优哈密顿量模拟技术，首次实现了对特定大规模非线性ODE系统的指数级量子加速求解。
2025-04-04 quant-ph
Projective Quantum Phase Difference Estimation Algorithm for the Direct Computation of Eigenenergy Gaps on a Quantum Computer
本文提出基于逆量子傅里叶变换和辅助量子比特的投影式量子相位差估计算法，实现单次投影测量直接计算本征能隙，并通过氢分子及卤代亚甲基、甲醛等分子的数值实验验证其有效性。
2023-07-19 quant-ph
A space-efficient quantum computer simulator suitable for high-speed FPGA implementation
传统的基于矢量的量子计算机模拟器在它们可以处理的量子线路的大小方面是非常有限的，这是由于作为所应用的量子操作的数量的函数的完整量子态矢量的甚至稀疏表示的最坏情况指数增长。然而，这种指数空间的要求可以通过使用复杂性理论家长期以来所知的一般时空权衡来避免，这种权衡可以针对这个特定问题进行适当的优化，这种方式也说明了量子力学的一些有趣的重新表述。在本文中，我们描述了量子计算机模拟器的工作软件原型的设计和经验时空复杂度测量，以避免过多的空间需求。由于其空间效率，这种设计非常适合嵌入在单芯片环境中，允许特别快速的执行，避免了对主存的访问延迟。我们计划在标准FPGA开发板上进行原型设计。
2009-10-08 quant-ph
Quantum measurements with a quantum computer
我们提出了一个方案，在该方案中，离子阱量子计算机可以用来对离子的集体振动运动的正交相位变量进行任意精确的测量。离子的电子状态成为“装置”，并且该方法基于将“装置”视为量子计算机寄存器，该量子计算机寄存器可以通过对存储在其中的数据运行傅立叶变换算法而准备在适当的状态。测量的分辨率随着所使用的离子的数量而呈指数上升。
1997-05-08 quant-ph
Quantum Supremacy Circuit Simulation on Sunway TaihuLight
随着工业界和学术界的快速进步，数十个量子比特甚至更大尺寸的量子计算机正在实现。然而，现有量子计算机的保真度通常会随着电路深度的增加而急剧下降。因此，一个理想的量子线路模拟器在经典计算机上，特别是在高性能计算机上，需要基准测试和验证。我们设计了一个通用随机量子线路的大规模模拟器，通常被称为“量子霸权电路”，并在神威太湖之光上实现。该模拟器可以完成以下两个任务：1）计算一个完整的输出状态向量; 2）计算一个或几个振幅。我们的目标是49量子位电路的模拟。对于任务1），我们成功地模拟了深度为39的电路，对于任务2），我们达到了55的深度水平。据我们所知，这两个模拟结果都达到了49量子比特量子霸权电路的最大深度。
2018-08-13 quant-ph
Exponential Separation of Quantum and Classical Online Space Complexity
尽管存在实现了比最佳已知经典算法的指数时间加速的量子算法，但是没有已知的量子算法使用比经典算法更少的空间资源来执行计算。在本文中，我们研究，第一次明确，空间有界的量子算法的计算问题的输入不是作为一个整体，但一点一点。我们表明，存在这样的问题，量子计算机可以解决使用指数比经典计算机更少的工作空间。更确切地说，我们引入了一个非常自然和简单的空间有界量子在线机器模型，并证明了经典和量子在线空间复杂性的指数分离，在有界错误设置和总语言。我们考虑的语言是受通信问题（集合交集函数）的启发，Buhrman，Cleve和Wigderson用来显示量子和经典有界误差通信复杂性的几乎二次分离。我们证明，在线空间复杂性的框架中，分离成为指数。
2008-11-11 cs.CC quant-ph
Quantum Advantage in Testing (Local) Convexity and Monotonicity of Function
该研究证明量子计算机测试函数凸性与单调性的效率较经典计算机呈指数级提升，为量子计算在函数相关问题的应用提供了新例证，可用于函数优化。
2025-03-24 quant-ph
