論文の概要: Efficient construction of time-invariant process tensors for simulating high-dimensional non-Markovian open quantum systems

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.06840v1
• Date: Fri, 06 Mar 2026 20:02:43 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-03-10 15:13:13.193922
• Title: Efficient construction of time-invariant process tensors for simulating high-dimensional non-Markovian open quantum systems
• Title（参考訳）: 高次元非マルコフ開量子系シミュレーションのための時間不変プロセステンソルの効率的な構築
• Abstract要約: 本稿では,プロセステンソル-行列積演算子(MPO)表現の新しいアルゴリズムを提案する。 MPO表現は環境の影響を捉え、システムサイズで大幅に拡張された計算スケーリングを実現する。 このアルゴリズムは、大規模開量子系における非マルコフ力学を捉えるだけでなく、プロセステンソルの既存のすべての能力を拡張できる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Numerical methods for obtaining exact dynamics of non-Markovian open quantum systems are mostly limited to either small systems or to short-time evolution only. Here, we propose a new algorithm for computing process tensors--matrix product operator (MPO) representations that capture the environment influence--which achieves greatly enhanced computational scalings with system size, while maintaining linear scaling with simulation length. We build on recent developments in the field which allow for long-time evolutions through process tensors which have a time-translational invariance. These can be built for general Gaussian environments and generic coupling operators with the system using infinite time-evolving block decimation (iTEBD). We introduce a modified iTEBD algorithm using intermediate compression steps which bring down the computation time scaling with system size $d$ from $\mathcal{O}(d^8)$ to $\mathcal{O}(d^4)$, as well as significantly lowering the required memory. To illustrate the power of this method, we apply it to the problem of dispersive qubit readout in circuit QED, which was previously out-of-reach numerically. The full treatment of the measurement resonator, which requires a large system space, combined with the long simulation times precipitated by the separation of timescales between the measurement drive and the environment dissipation, is now possible. The algorithm we introduce not only allows for capturing non-Markovian dynamics in large open quantum systems, but also further extends all the existing capabilities of process tensors, for example in quantum optimal control, or in computation of multi-time correlations or of steady states, to more complex systems with tens of levels.
• Abstract（参考訳）: 非マルコフ開量子系の正確な力学を得るための数値的手法は、主に小系か短時間の進化に限られる。 本稿では,シミュレーション長で線形スケーリングを維持しつつ,システムサイズで大幅に拡張された計算スケーリングを実現する,プロセステンソルの計算アルゴリズムを提案する。 我々は、時間-翻訳的不変性を持つプロセステンソルによる長期進化を可能にする分野における最近の発展の上に構築する。 これらは一般のガウス環境や、無限時間進化ブロックデシミテーション(iTEBD)を用いたシステムとの一般結合演算子のために構築することができる。 システムサイズ$d$を$\mathcal{O}(d^8)$から$\mathcal{O}(d^4)$に下げ、必要なメモリを大幅に削減する。 本手法のパワーを実証するために,従来未解決であった回路QEDにおける分散量子ビット読み出し問題に適用する。 大規模なシステム空間を必要とする測定共振器の完全処理と、測定駆動と環境散逸の時間スケールの分離による長期シミュレーション時間との併用が可能となった。 このアルゴリズムは、大規模オープン量子系における非マルコフ力学を捉えるだけでなく、例えば量子最適制御や多時間相関の計算や定常状態の計算など、プロセステンソルの既存の機能をすべて、数十のレベルを持つより複雑なシステムに拡張することができる。

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