論文の概要: Accelerating two-dimensional electronic spectroscopy simulations with a probe qubit protocol

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2411.16290v2
• Date: Thu, 28 Nov 2024 09:30:03 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-12-02 11:38:08.272242
• Title: Accelerating two-dimensional electronic spectroscopy simulations with a probe qubit protocol
• Title（参考訳）: プローブ量子ビットプロトコルによる二次元電子分光シミュレーションの高速化
• Authors: José D. Guimarães, James Lim, Mikhail I. Vasilevskiy, Susana F. Huelga, Martin B. Plenio,
• Abstract要約: 2次元電子分光法(2DES)は、光合成系内のエネルギー輸送における量子効果を探索するための強力なツールである。 本稿では、量子デバイス上での2DESの量子シミュレーションのためのプローブ量子ビットプロトコル(PQP)を提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.6990493129893112
• License:
• Abstract: Two-dimensional electronic spectroscopy (2DES) is a powerful tool for exploring quantum effects in energy transport within photosynthetic systems and investigating novel material properties. However, simulating the dynamics of these experiments poses significant challenges for classical computers due to the large system sizes, long timescales and numerous experiment repetitions involved. This paper introduces the probe qubit protocol (PQP)-for quantum simulation of 2DES on quantum devices-addressing these challenges. The PQP offers several enhancements over standard methods, notably reducing computational resources, by requiring only a single-qubit measurement per circuit run and achieving Heisenberg scaling in detection frequency resolution, without the need to apply expensive controlled evolution operators in the quantum circuit. The implementation of the PQP protocol requires only one additional ancilla qubit, the probe qubit, with one-to-all connectivity and two-qubit interactions between each system and probe qubits. We evaluate the computational resources necessary for this protocol in detail, demonstrating its function as a dynamic frequency-filtering method through numerical simulations. We find that simulations of the PQP on classical and quantum computers enable a reduction on the number of measurements, i.e. simulation runtime, and memory savings of several orders of magnitude relatively to standard quantum simulation protocols of 2DES. The paper discusses the applicability of the PQP on near-term quantum devices and highlights potential applications where this spectroscopy simulation protocol could provide significant speedups over standard approaches such as the quantum simulation of 2DES applied to the Fenna-Matthews-Olson (FMO) complex in green sulphur bacteria.
• Abstract（参考訳）: 2次元電子分光法(2DES)は、光合成系内のエネルギー輸送における量子効果を探索し、新しい材料特性を研究するための強力なツールである。 しかし、これらの実験の力学をシミュレートすることは、システムのサイズが大きく、長い時間スケールと多くの実験を繰り返しているため、古典的なコンピュータにとって大きな課題となる。 本稿では、量子デバイス上での2DESの量子シミュレーションのためのプローブ量子ビットプロトコル(PQP)を提案する。 PQPは、量子回路に高価な制御された進化演算子を適用することなく、検出周波数の解像度でハイゼンベルクのスケーリングを実現することで、計算資源の削減など、標準的な手法よりもいくつかの拡張を提供している。 PQPプロトコルの実装には、各システムとプローブキュービット間の1対1の接続と2キュービットの相互作用を持つプローブキュービットという1つの追加のアンシラキュービットしか必要としない。 我々は,このプロトコルに必要な計算資源を詳細に評価し,数値シミュレーションにより動的周波数フィルタリング法としての機能を示す。 古典的および量子コンピュータ上のPQPのシミュレーションは、2DESの標準的な量子シミュレーションプロトコルと比較して数桁のメモリ節約とシミュレーションランタイムの計測回数の削減を可能にする。 本稿は、近距離量子デバイスにおけるPQPの適用性について論じ、この分光シミュレーションプロトコルが、緑色サルファー細菌のFenna-Matthews-Olson (FMO) 錯体に適用された2DESの量子シミュレーションのような標準手法よりも大幅に高速化できる可能性を強調した。

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