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量子物理

arXiv:2501.06100 (quant-ph)
[提交于 2025年1月10日 ]

标题: 用于模拟耦合经典振荡器的实用量子电路实现

标题: Practical Quantum Circuit Implementation for Simulating Coupled Classical Oscillators

Authors:Natt Luangsirapornchai, Peeranat Sanglaor, Apimuk Sornsaeng, Stephane Bressan, Thiparat Chotibut, Kamonluk Suksen, Prabhas Chongstitvatana
摘要: 模拟大规模耦合振子系统对经典算法提出了巨大的计算挑战,尤其是在热力学极限下进行第一性原理分析时。 受Babbush等人提出的量子算法框架的启发,我们提出了并实现了用于模拟一维弹簧-质量系统的详细量子电路构造。 我们的方法结合了关键的量子子例程,包括块编码、量子奇异值变换(QSVT)和幅值放大,以实现与模拟经典振子动力学相关的酉时间演化算子。 在均匀弹簧-质量设置中,我们的电路构造需要门复杂度为$\mathcal{O}\bigl(\log_2^2 N\,\log_2(1/\varepsilon)\bigr)$,其中$N$是振子的数量,$\varepsilon$是近似的目标精度。 对于更一般、非均匀的弹簧-质量系统,总门复杂度为$\mathcal{O}\bigl(N\log_2 N\,\log_2(1/\varepsilon)\bigr)$。 两种情况都需要$\mathcal{O}(\log_2 N)$个量子比特。 数值模拟在所有测试配置中都与经典求解器一致,表明这种基于电路的哈密顿量模拟方法可以显著降低计算成本,并可能在未来量子硬件上实现更大规模的多体研究。
摘要: 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.
评论: 26页,16图
主题: 量子物理 (quant-ph) ; 计算工程、金融与科学 (cs.CE)
引用方式: arXiv:2501.06100 [quant-ph]
  (或者 arXiv:2501.06100v1 [quant-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.06100
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Thiparat Chotibut [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 1 月 10 日 16:53:56 UTC (4,142 KB)
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