論文の概要: Perturbative quantum simulation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2106.05938v2
• Date: Wed, 28 Sep 2022 15:16:20 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-03-27 01:53:27.708730
• Title: Perturbative quantum simulation
• Title（参考訳）: 摂動量子シミュレーション
• Authors: Jinzhao Sun, Suguru Endo, Huiping Lin, Patrick Hayden, Vlatko Vedral, and Xiao Yuan
• Abstract要約: 2つのアプローチの相補的な強度を組み合わせた摂動量子シミュレーションを導入する。 量子プロセッサの使用により、解決可能な未摂動ハミルトニアンを特定する必要がなくなる。 我々は、異なる位相におけるボソン、フェルミオン、量子スピンの相互作用法を数値的にベンチマークする。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.309018557701645
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Approximation based on perturbation theory is the foundation for most of the quantitative predictions of quantum mechanics, whether in quantum many-body physics, chemistry, quantum field theory or other domains. Quantum computing provides an alternative to the perturbation paradigm, yet state-of-the-art quantum processors with tens of noisy qubits are of limited practical utility. Here, we introduce perturbative quantum simulation, which combines the complementary strengths of the two approaches, enabling the solution of large practical quantum problems using limited noisy intermediate-scale quantum hardware. The use of a quantum processor eliminates the need to identify a solvable unperturbed Hamiltonian, while the introduction of perturbative coupling permits the quantum processor to simulate systems larger than the available number of physical qubits. We present an explicit perturbative expansion that mimics the Dyson series expansion and involves only local unitary operations, and show its optimality over other expansions under certain conditions. We numerically benchmark the method for interacting bosons, fermions, and quantum spins in different topologies, and study different physical phenomena, such as information propagation, charge-spin separation, and magnetism, on systems of up to $48$ qubits only using an $8+1$ qubit quantum hardware. We experimentally demonstrate our scheme on the IBM quantum cloud, verifying its noise robustness and illustrating its potential for benchmarking large quantum processors with smaller ones.
• Abstract（参考訳）: 摂動理論に基づく近似は、量子多体物理学、化学、量子場理論、その他の領域において、量子力学の量的予測のほとんどの基礎である。 量子コンピューティングは摂動パラダイムの代替を提供するが、数十キュービットのノイズを持つ最先端の量子プロセッサは実用性に乏しい。 ここでは、2つのアプローチの相補的な強みを組み合わせた摂動量子シミュレーションを導入し、ノイズの多い中間スケール量子ハードウェアを用いた大規模な実用的な量子問題の解を可能にする。 量子プロセッサは可解な非摂動ハミルトニアンを識別する必要がなく、摂動結合の導入により量子プロセッサは利用可能な物理量子ビットよりも大きいシステムをシミュレートすることができる。 我々は、ダイソン級数展開を模倣し、局所ユニタリ操作のみを含む明示的な摂動拡大を示し、ある条件下での他の拡大に対してその最適性を示す。 我々は、異なるトポロジにおけるボソン、フェルミオン、量子スピンの相互作用法を数値的にベンチマークし、情報伝播、電荷スピン分離、磁性などの異なる物理現象を、最大480ドルキュービットのシステム上で8+1ドルキュービット量子ハードウェアを用いて研究する。 提案手法をIBM量子クラウド上で実験的に実証し,そのノイズ堅牢性を検証するとともに,より小型の量子プロセッサをベンチマークする可能性を示す。

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