Tiến hóa lượng tử chuyển tiếp nhanh: Các tính năng vật lý Tăng cường hiệu quả của mô phỏng lượng tử

Hai bài báo gần đây giải quyết các câu hỏi lâu nay về các thuật toán trên máy tính lượng tử trong tương lai.

Những đột phá lý thuyết gần đây đã giải quyết hai câu hỏi lâu nay về khả năng tồn tại của việc mô phỏng các hệ thống lượng tử trên các máy tính lượng tử trong tương lai, vượt qua những thách thức từ các phân tích độ phức tạp để cho phép các thuật toán tiên tiến hơn. Nổi bật trong hai ấn phẩm, công trình của một nhóm lượng tử tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos cho thấy các đặc tính vật lý của hệ lượng tử cho phép các kỹ thuật mô phỏng nhanh hơn.

Rolando Somma, nhà lý thuyết lượng tử tại Los Alamos và là đồng tác giả của hai bài báo cho biết: “Các thuật toán dựa trên công trình này sẽ cần thiết cho việc trình diễn quy mô đầy đủ đầu tiên về mô phỏng lượng tử trên máy tính lượng tử.

Các trạng thái lượng tử năng lượng thấp là chìa khóa để mô phỏng lượng tử nhanh hơn

Bài báo “Mô phỏng Hamilton trong không gian con năng lượng thấp” chứng minh rằng độ phức tạp của một thuật toán mô phỏng lượng tử phụ thuộc vào thang năng lượng liên quan chứ không phải toàn bộ phạm vi năng lượng của hệ, như đã nghĩ trước đây. Trên thực tế, một số hệ lượng tử có thể có trạng thái năng lượng không giới hạn, do đó các mô phỏng sẽ chứng minh là không thể thực hiện được ngay cả trên các máy tính lượng tử lớn.

Nghiên cứu mới này phát hiện ra rằng, nếu một hệ thống lượng tử chỉ khám phá các trạng thái năng lượng thấp, nó có thể được mô phỏng với độ phức tạp thấp trên một máy tính lượng tử mà không có lỗi làm hỏng mô phỏng.

Burak Sahinoglu, một nhà vật lý lý thuyết tại Los Alamos và là tác giả chính của bài báo, cho biết: “Công trình của chúng tôi cung cấp một con đường dẫn đến một nghiên cứu có hệ thống về mô phỏng lượng tử ở năng lượng thấp. tạp chí Thông tin lượng tử , một tạp chí đối tác Nature.

Somma nói: “Chúng tôi chỉ ra rằng ở mỗi bước của thuật toán, bạn không bao giờ thoát khỏi nguồn năng lượng rất lớn. “Có một cách để viết thuật toán lượng tử của bạn để sau mỗi bước, bạn vẫn ở trong không gian con năng lượng thấp của mình.”

Các tác giả cho biết nghiên cứu của họ áp dụng cho một loại lớn các hệ thống lượng tử và sẽ hữu ích trong việc mô phỏng các lý thuyết trường lượng tử, mô tả các hiện tượng vật lý trong trạng thái năng lượng thấp của chúng.

Chuyển tiếp nhanh các hệ thống lượng tử bỏ qua nguyên tắc bất định năng lượng thời gian

Bài báo khác, “Tiến hóa lượng tử chuyển tiếp nhanh”, hợp tác với Shouzhen Gu của Caltech – một cựu học sinh trường hè về máy tính lượng tử của Los Alamos – được xuất bản trên tạp chí Quantum . Nó cho thấy ba hệ thống lượng tử, trong đó một thuật toán mô phỏng lượng tử có thể chạy nhanh hơn — và trong một số trường hợp, nhanh hơn theo cấp số nhân — so với các giới hạn được đề xuất bởi nguyên lý bất định năng lượng thời gian.

Somma nói: “Trong cơ học lượng tử, độ chính xác tốt nhất có thể đạt được khi đo thang năng lượng của hệ thống, với nghịch đảo của khoảng thời gian đo.

Sahinoglu nói: “Tuy nhiên, nguyên tắc này không áp dụng cho tất cả các hệ lượng tử, đặc biệt là những hệ thống có một số đặc điểm vật lý nhất định.

Các tác giả đã chỉ ra rằng khi nguyên tắc này bị bỏ qua, các hệ thống lượng tử như vậy cũng có thể được mô phỏng rất hiệu quả, hoặc chuyển tiếp nhanh, trên máy tính lượng tử.

Người giới thiệu:

“Mô phỏng Hamilton trong không gian con năng lượng thấp” của Burak Sahinoglu và Rolando D. Somma, ngày 27 tháng 7 năm 2021, npj Thông tin lượng tử .
DOI: 10.1038 / s41534-021-00451-w

“Tiến hóa lượng tử chuyển tiếp nhanh” của Shouzhen Gu, Rolando D. Somma và Burak Sahinoglu, ngày 15 tháng 11 năm 2021, Quantum .
DOI: 10.22331 / q-2021-11-15-577

Tài trợ: DOE SC HEP, ASCR, Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Thông tin Lượng tử Quốc gia, Trung tâm Khoa học Lượng tử.

Theo Scitechdaily