論文の概要: Simulations of Frustrated Ising Hamiltonians with Quantum Approximate Optimization

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2206.05343v1
• Date: Fri, 10 Jun 2022 20:25:40 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-02-09 22:55:46.005259
• Title: Simulations of Frustrated Ising Hamiltonians with Quantum Approximate Optimization
• Title（参考訳）: 量子近似最適化を用いたフラストレーションイジングハミルトンのシミュレーション
• Authors: Phillip C. Lotshaw, Hanjing Xu, Bilal Khalid, Gilles Buchs, Travis S. Humble, and Arnab Banerjee
• Abstract要約: 本稿では、量子近似最適化アルゴリズム(QAOA)を用いて、物質基底状態を作成するための代替手法について検討する。 正方形, シャストリー・サザーランド, 三角形格子の単位セル上のイジングスピンモデルについて検討した。 トラップイオン量子コンピュータ上での計算のアプローチを実証し、理想的な理論値に近い確率でShastry-Sutherland単位セルの各基底状態の回復に成功した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.2462953128215087
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Novel magnetic materials are important for future technological advances. Theoretical and numerical calculations of ground state properties are essential in understanding these materials, however, computational complexity limits conventional methods for studying these states. Here we investigate an alternative approach to preparing materials ground states using the quantum approximate optimization algorithm (QAOA) on near-term quantum computers. We study Ising spin models on unit cells of square, Shastry-Sutherland, and triangular lattices, with varying field amplitudes and couplings in the material Hamiltonian. We find relationships between the theoretical QAOA success probability and the structure of the ground state, indicating that only a modest number of measurements (<~ 100) are needed to find the ground state of our nine-spin Hamiltonians, even for parameters leading to frustrated magnetism. We further demonstrate the approach in calculations on a trapped-ion quantum computer and succeed in recovering each ground state of the Shastry-Sutherland unit cell with probabilities close to ideal theoretical values. The results demonstrate the viability of QAOA for materials ground state preparation in the frustrated Ising limit, giving important first steps towards larger sizes and more complex Hamiltonians where quantum computational advantage may prove essential in developing a systematic understanding of novel materials.
• Abstract（参考訳）: 新しい磁性材料は将来の技術進歩にとって重要である。 基底状態特性の理論的および数値計算はこれらの物質を理解する上で不可欠であるが、計算複雑性はこれらの状態を研究する従来の方法を制限する。 本稿では、量子近似最適化アルゴリズム(QAOA)を用いて、物質基底状態を作成するための代替手法について検討する。 本研究では, 正方形, shastry-sutherland および triangular lattices の単位セル上のスピン模型について検討した。 我々は理論qaoa成功確率と基底状態の構造との関係を見いだし、フラストレーション磁化に繋がるパラメータであっても、9スピンハミルトニアンの基底状態を見つけるためには、わずかな数の測定値(<~100)だけが必要であることを示唆する。 さらに、捕捉されたイオン量子コンピュータ上での計算のアプローチを実証し、理想的な理論値に近い確率でShastry-Sutherland単位セルの各基底状態の回復に成功した。 その結果、フラストレーションのあるイジング限界における材料基底状態生成のためのQAOAの生存可能性を示し、新しい材料を体系的に理解するためには量子計算の優位性が不可欠であることが証明された。

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