論文の概要: Computing Free Energies with Fluctuation Relations on Quantum Computers

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2103.09846v2
• Date: Fri, 3 Sep 2021 20:36:43 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-04-07 21:00:49.023545
• Title: Computing Free Energies with Fluctuation Relations on Quantum Computers
• Title（参考訳）: 量子コンピュータ上のゆらぎ関係を持つ自由エネルギーの計算
• Authors: Lindsay Bassman, Katherine Klymko, Diyi Liu, Norman M. Tubman, Wibe A. de Jong
• Abstract要約: 本稿では,ジャジンスキー等式(Jarzynski equality)と呼ばれるゆらぎ関係を利用して,量子コンピュータ上の量子系の自由エネルギー差を近似するアルゴリズムを提案する。 実量子プロセッサ上での逆場Isingモデルを用いて,アルゴリズムの概念実証に成功した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Fluctuation relations allow for the computation of equilibrium properties, like free energy, from an ensemble of non-equilibrium dynamics simulations. Computing them for quantum systems, however, can be difficult, as performing dynamic simulations of such systems is exponentially hard on classical computers. Quantum computers can alleviate this hurdle, as they can efficiently simulate quantum systems. Here, we present an algorithm utilizing a fluctuation relation known as the Jarzynski equality to approximate free energy differences of quantum systems on a quantum computer. We discuss under which conditions our approximation becomes exact, and under which conditions it serves as a strict upper bound. Furthermore, we successfully demonstrate a proof-of-concept of our algorithm using the transverse field Ising model on a real quantum processor. The free energy is a central thermodynamic property that allows one to compute virtually any equilibrium property of a physical system. Thus, as quantum hardware continues to improve, our algorithm may serve as a valuable tool in a wide range of applications including the construction of phase diagrams, prediction of transport properties and reaction constants, and computer-aided drug design in the future.
• Abstract（参考訳）: ゆらぎ関係は、非平衡動力学シミュレーションのアンサンブルから自由エネルギーのような平衡特性の計算を可能にする。 しかし、そのようなシステムの動的シミュレーションは古典的コンピュータでは指数関数的に難しいため、量子系に対する計算は困難である。 量子コンピュータはこのハードルを緩和し、量子システムを効率的にシミュレートすることができる。 本稿では、ジャジンスキー等式として知られるゆらぎ関係を利用して量子コンピュータ上の量子系の自由エネルギー差を近似するアルゴリズムを提案する。 我々は,どの条件で近似が正確か,どの条件で厳密な上限となるかについて議論する。 さらに,実量子プロセッサ上での逆場Isingモデルを用いて,アルゴリズムの概念実証に成功した。 自由エネルギーは、物理系の任意の平衡特性を計算できる中心的な熱力学特性である。 したがって、量子ハードウェアが改善を続けるにつれて、このアルゴリズムは、位相図の構築、輸送特性と反応定数の予測、将来におけるコンピュータ支援薬物設計など、幅広いアプリケーションで有用なツールとなり得る。

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