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量子物理

arXiv:2402.14680v1 (quant-ph)
[提交于 2024年2月22日 ]

标题: 中子-原子核动力学模拟用于量子计算机

标题: Neutron-nucleus dynamics simulations for quantum computers

Authors:Soorya Rethinasamy, Ethan Guo, Alexander Wei, Mark M. Wilde, Kristina D. Launey
摘要: 为应对核结构和反应建模计算需求的爆炸性增长,我们开发了一种新的量子算法,用于具有通用势的中子-核模拟,该算法通过抗噪声训练方法,在存在噪声的情况下也能提供可接受的束缚态能量。特别是,该算法现在可以求解任何带对角线到满矩阵的哈密顿矩阵,以适应一般的中心势。这包括指数型高斯势和从头算的簇间势(光学势)。该方法还可以容纳在从头算核计算中使用的完整形式的规范有效场论核子-核子势。我们将这种势能提供给三种不同的量子比特编码,包括独热(OHE)、二进制(BE)和格雷编码(GE),并提供了对涉及的泡利项和对易集合的全面分析。我们发现,GE允许模型空间大小$N$(或使用的基态数量)的高效扩展,并且不仅对于三对角哈密顿量,而且对于带宽高达$N$的带对角哈密顿量,都更具资源效率。我们引入了一种称为距离分组对易性(DGC)的新对易性方案,并将其性能与众所周知的量子比特对易性(QC)方案进行了比较。我们列出了DGC方案下的泡利字符串显式分组和对角化酉变换,并发现它在成本更高的对角化酉变换的代价下优于QC方案。最后,我们提供了适合NISQ处理器的中子-α动力学的首次量子模拟解决方案,使用基于第一原理的光学势,并研究了中子-碳系统中的束缚态物理,以及OHE和GE的有效性比较。
摘要: With a view toward addressing the explosive growth in the computational demands of nuclear structure and reactions modeling, we develop a novel quantum algorithm for neutron-nucleus simulations with general potentials, which provides acceptable bound-state energies even in the presence of noise, through the noise-resilient training method. In particular, the algorithm can now solve for any band-diagonal to full Hamiltonian matrices, as needed to accommodate a general central potential. This includes exponential Gaussian-like potentials and ab initio inter-cluster potentials (optical potentials). The approach can also accommodate the complete form of the chiral effective-field-theory nucleon-nucleon potentials used in ab initio nuclear calculations. We make this potential available for three different qubit encodings, including the one-hot (OHE), binary (BE), and Gray encodings (GE), and we provide a comprehensive analysis of the number of Pauli terms and commuting sets involved. We find that the GE allows for an efficient scaling of the model-space size $N$ (or number of basis states used) and is more resource efficient not only for tridiagonal Hamiltonians, but also for band-diagonal Hamiltonians having bandwidth up to $N$. We introduce a new commutativity scheme called distance-grouped commutativity (DGC) and compare its performance with the well-known qubit-commutativity (QC) scheme. We lay out the explicit grouping of Pauli strings and the diagonalizing unitary under the DGC scheme, and we find that it outperforms the QC scheme, at the cost of a more complex diagonalizing unitary. Lastly, we provide first solutions of the neutron-alpha dynamics from quantum simulations suitable for NISQ processors, using an optical potential rooted in first principles, and a study of the bound-state physics in neutron-Carbon systems, along with a comparison of the efficacy of the OHE and GE.
评论: 38页,13张表格和18幅图
主题: 量子物理 (quant-ph) ; 核理论 (nucl-th)
引用方式: arXiv:2402.14680 [quant-ph]
  (或者 arXiv:2402.14680v1 [quant-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2402.14680
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Soorya Rethinasamy [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2024 年 2 月 22 日 16:33:48 UTC (2,986 KB)
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