知道“量子多體”嗎？量子模擬比預期更穩定！

定位現象提高了用量子計算機解決量子多體問題的準確性，這些問題對傳統計算機來說是一個挑戰，這使得使用現有的量子器件進行數字量子模擬成為可能。量子計算機有望比任何經典計算機以指數級的速度解決某些計算問題。德國德累斯頓普朗克複雜物理研究所的馬庫斯·海爾說：利用數字量子模擬概念來解決量子多體問題是一個特別有前景的應用。這樣的模擬可能會對量子化學、材料科學和基礎物理產生重大影響。

博科園：在數字量子模擬中，目標量子多體系統的時間演化是通過離散化時間演化的基本量子門序列來實現，這個過程稱為Trotterization。然而，一個基本的挑戰是控制一個內在誤差源，這似乎是由於這種離散化。發表在《科學進展》(Science Advances)上的一篇研究論文指出，通過量子干涉來限制時間演化的量子定位，對局域觀測數據的這些誤差具有很強約束作用。

比預期更穩定

因此，數字量子模擬在本質上比人們對全球多體波函數已知誤差範圍的預期要穩定強大得多。這種魯棒性的特徵是一個尖銳閾值，作為利用時間粒度的函數，測量所謂的小跑步長。閾值將具有可控步進誤差的規則區域(系統在時間演化算子的特徵態空間中表現出局域性)與量子混沌區域(誤差迅速累積，使得量子模擬結果無法使用)分離開來。研究結果表明，數字量子模擬中相對較大的步長可以為局部觀測保留可控步長誤差。

因此，有可能減少量子門操作的數量。以真實地表示所需的時間演化，從而減輕不完美的單個門操作的影響。這使得數字量子模擬經典具有挑戰性的量子多體問題在當前的量子器件中觸手可及。數字量子模擬(DQS)的一個基本挑戰是控制一個固有誤差，當將一個量子多體系統的時間演化離散為一個量子門序列時，就會出現這種誤差，稱為Trotterization。新研究證明了量子局域化（通過量子干涉來約束時間演化）

對局部可觀測的這些誤差有很強限制，導致了與系統大小和模擬時間無關的誤差。因此，DQS本質上比全局多體波函數已知誤差界限的魯棒得多。這種魯棒性的特徵是一個尖銳的閾值作為一個函數步大小，它分離了一個局部區域與可控蹄步誤差從量子混沌體制。研究結果表明，對於局部觀測值，具有較大步長的DQS可以保持可控的誤差。因此，可以減少門操作的數量，以忠實地表示所需的時間演變。

博科園-科學科普｜研究/來自: 因斯布魯克大學

參考期刊文獻:《Science Advances》

DOI: 10.1126/sciadv.aau8342

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