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量子物理

arXiv:2508.08160 (quant-ph)
[提交于 2025年8月11日 ]

标题: 矩阵乘积幺正的量子电路复杂度

标题: Quantum Circuit Complexity of Matrix-Product Unitaries

Authors:Georgios Styliaris, Rahul Trivedi, J. Ignacio Cirac
摘要: 矩阵乘积幺正算符(MPUs)是多体幺正算符,由于其张量网络结构,它们在1D系统中保持纠缠面积定律。 然而,由于描述MPU的单个张量不是幺正的,因此尚不清楚如何将MPU实现为量子电路。 在本文中,我们表明一大类MPU可以使用多项式深度的量子电路来实现。 对于由重复的体张量和开放边界构建的$N$位MPU,我们显式构造了一个多项式深度为$T = O(N^{\alpha})$的量子电路,该电路实现了MPU,其中常数$\alpha$仅取决于体张量和边界张量,而与系统大小$N$无关。 我们证明这个类包括生成长程纠缠的非平凡幺正算符,并且特别地,包含从$C^*$-弱霍普夫代数表示构建的一大类幺正算符。 此外,我们还将我们的构造适应于非均匀平移变化的MPU,并表明它们可以通过深度为$O(N^{\beta} \, \mathrm{poly}\, D)$的电路实现,其中$\beta \le 1 + \log_2 \sqrt{D}/ s_{\min}$,其中$D$是键维数,$s_{\min}$是与MPU对应的归一化乔伊态的最小非零施密特值。
摘要: Matrix-product unitaries (MPUs) are many-body unitary operators that, as a consequence of their tensor-network structure, preserve the entanglement area law in 1D systems. However, it is unknown how to implement an MPU as a quantum circuit since the individual tensors describing the MPU are not unitary. In this paper, we show that a large class of MPUs can be implemented with a polynomial-depth quantum circuit. For an $N$-site MPU built from a repeated bulk tensor with open boundary, we explicitly construct a quantum circuit of polynomial depth $T = O(N^{\alpha})$ realizing the MPU, where the constant $\alpha$ depends only on the bulk and boundary tensor and not the system size $N$. We show that this class includes nontrivial unitaries that generate long-range entanglement and, in particular, contains a large class of unitaries constructed from representations of $C^*$-weak Hopf algebras. Furthermore, we also adapt our construction to nonuniform translationally-varying MPUs and show that they can be implemented by a circuit of depth $O(N^{\beta} \, \mathrm{poly}\, D)$ where $\beta \le 1 + \log_2 \sqrt{D}/ s_{\min}$, with $D$ being the bond dimension and $s_{\min}$ is the smallest nonzero Schmidt value of the normalized Choi state corresponding to the MPU.
主题: 量子物理 (quant-ph) ; 强关联电子 (cond-mat.str-el); 数学物理 (math-ph)
引用方式: arXiv:2508.08160 [quant-ph]
  (或者 arXiv:2508.08160v1 [quant-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.08160
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Georgios Styliaris [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2025 年 8 月 11 日 16:37:14 UTC (178 KB)
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