論文の概要: Multi-Level Variational Spectroscopy using a Programmable Quantum Simulator

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2306.02110v1
• Date: Sat, 3 Jun 2023 13:29:21 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-06-06 20:05:40.163128
• Title: Multi-Level Variational Spectroscopy using a Programmable Quantum Simulator
• Title（参考訳）: プログラマブル量子シミュレータを用いた多レベル変分分光法
• Authors: Zhikun Han, Chufan Lyu, Yuxuan Zhou, Jiahao Yuan, Ji Chu, Wuerkaixi Nuerbolati, Hao Jia, Lifu Nie, Weiwei Wei, Zusheng Yang, Libo Zhang, Ziyan Zhang, Chang-Kang Hu, Ling Hu, Jian Li, Dian Tan, Abolfazl Bayat, Song Liu, Fei Yan, and Dapeng Yu
• Abstract要約: 超伝導プログラマブルデジタル量子シミュレータを用いた基本多体ハミルトニアンの多値変分分光を実験的に実証した。 対称性を利用することで、回路深さと最適化パラメータを効果的に削減し、基底状態を超えることができる。 本研究は、変分量子アルゴリズムにおける対称性支援資源効率を強調し、短期量子シミュレータにおける実用的な分光の基礎を定めている。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 13.190433327224264
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Energy spectroscopy is a powerful tool with diverse applications across various disciplines. The advent of programmable digital quantum simulators opens new possibilities for conducting spectroscopy on various models using a single device. Variational quantum-classical algorithms have emerged as a promising approach for achieving such tasks on near-term quantum simulators, despite facing significant quantum and classical resource overheads. Here, we experimentally demonstrate multi-level variational spectroscopy for fundamental many-body Hamiltonians using a superconducting programmable digital quantum simulator. By exploiting symmetries, we effectively reduce circuit depth and optimization parameters allowing us to go beyond the ground state. Combined with the subspace search method, we achieve full spectroscopy for a 4-qubit Heisenberg spin chain, yielding an average deviation of 0.13 between experimental and theoretical energies, assuming unity coupling strength. Our method, when extended to 8-qubit Heisenberg and transverse-field Ising Hamiltonians, successfully determines the three lowest energy levels. In achieving the above, we introduce a circuit-agnostic waveform compilation method that enhances the robustness of our simulator against signal crosstalk. Our study highlights symmetry-assisted resource efficiency in variational quantum algorithms and lays the foundation for practical spectroscopy on near-term quantum simulators, with potential applications in quantum chemistry and condensed matter physics.
• Abstract（参考訳）: エネルギー分光は様々な分野にまたがる多様な応用を持つ強力なツールである。 プログラマブルなデジタル量子シミュレータの出現は、単一デバイスを使用して様々なモデル上で分光を行う新しい可能性を開く。 変分量子古典アルゴリズムは、量子および古典的なリソースオーバーヘッドに直面するにもかかわらず、短期量子シミュレーター上でそのようなタスクを達成するための有望なアプローチとして登場した。 本稿では, 超電導プログラマブルディジタル量子シミュレータを用いて, 基本多体ハミルトニアンの多値変分分光法を実験的に実証する。 対称性を利用することで、回路深さと最適化パラメータを効果的に削減し、基底状態を超えることができる。 部分空間探索法と組み合わさって、4量子ビットハイゼンベルクスピンチェーンの完全な分光を行い、実験エネルギーと理論エネルギーの平均偏差を0.13とし、結合強度を仮定した。 我々の手法は8量子ハイゼンベルクと横フィールドのイジング・ハミルトンに拡張され、3つの最低エネルギー準位を決定できる。 本稿では,信号クロストークに対するシミュレータのロバスト性を高める回路に依存しない波形コンパイル手法を提案する。 本研究は、変分量子アルゴリズムにおける対称性支援資源効率を強調し、量子化学や凝縮物質物理学に応用可能な、短期量子シミュレータにおける実用的な分光の基礎を定めている。

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