論文の概要: Practical Quantum Circuit Implementation for Simulating Coupled Classical Oscillators
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2501.06100v1
- Date: Fri, 10 Jan 2025 16:53:56 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-01-13 15:26:32.241808
- Title: Practical Quantum Circuit Implementation for Simulating Coupled Classical Oscillators
- Title（参考訳）: 結合型古典振動子シミュレーションのための実用的な量子回路実装
- Authors: Natt Luangsirapornchai, Peeranat Sanglaor, Apimuk Sornsaeng, Stephane Bressan, Thiparat Chotibut, Kamonluk Suksen, Prabhas Chongstitvatana,
- Abstract要約: 本研究では, 1次元バネ質量系をシミュレーションするための量子回路の構築と実装を行う。
この回路に基づくハミルトニアンシミュレーションアプローチは、計算コストを大幅に削減し、将来の量子ハードウェアに関する大規模な多体研究を可能にする可能性がある。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.3140209441982318
- License:
- Abstract: Simulating large-scale coupled-oscillator systems presents substantial computational challenges for classical algorithms, particularly when pursuing first-principles analyses in the thermodynamic limit. Motivated by the quantum algorithm framework proposed by Babbush et al., we present and implement a detailed quantum circuit construction for simulating one-dimensional spring-mass systems. Our approach incorporates key quantum subroutines, including block encoding, quantum singular value transformation (QSVT), and amplitude amplification, to realize the unitary time-evolution operator associated with simulating classical oscillators dynamics. In the uniform spring-mass setting, our circuit construction requires a gate complexity of $\mathcal{O}\bigl(\log_2^2 N\,\log_2(1/\varepsilon)\bigr)$, where $N$ is the number of oscillators and $\varepsilon$ is the target accuracy of the approximation. For more general, heterogeneous spring-mass systems, the total gate complexity is $\mathcal{O}\bigl(N\log_2 N\,\log_2(1/\varepsilon)\bigr)$. Both settings require $\mathcal{O}(\log_2 N)$ qubits. Numerical simulations agree with classical solvers across all tested configurations, indicating that this circuit-based Hamiltonian simulation approach can substantially reduce computational costs and potentially enable larger-scale many-body studies on future quantum hardware.
- Abstract（参考訳）: 大規模結合型オシレータシステムのシミュレーションは、特に熱力学極限における第一原理解析を追求する場合、古典的アルゴリズムに重大な計算課題をもたらす。
Babbushらによって提案された量子アルゴリズムの枠組みにより、我々は1次元スプリング質量系のシミュレーションのための詳細な量子回路の構築と実装を行った。
提案手法では,ブロック符号化,量子特異値変換(QSVT),振幅増幅などの量子サブルーチンを導入し,古典振動子力学のシミュレーションに付随する一元的時間進化演算子を実現する。
均一なスプリング質量設定では、回路構成は$\mathcal{O}\bigl(\log_2^2 N\,\log_2(1/\varepsilon)\bigr)$で、$N$は発振器の数、$\varepsilon$は近似の目標精度である。
より一般的なヘテロジニアスなスプリング質量系では、総ゲートの複雑性は$\mathcal{O}\bigl(N\log_2 N\,\log_2(1/\varepsilon)\bigr)$である。
どちらの設定も$\mathcal{O}(\log_2 N)$ qubitsを必要とする。
数値シミュレーションは、全ての試験された構成の古典的な解法と一致しており、この回路ベースのハミルトンシミュレーションアプローチは計算コストを大幅に削減し、将来の量子ハードウェアに関する大規模な多体研究を可能にする可能性があることを示唆している。
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