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量子物理

arXiv:2505.22816v1 (quant-ph)
[提交于 2025年5月28日 ]

标题: 可证明有效的局部驱动量子热态准备

标题: Provably Efficient Quantum Thermal State Preparation via Local Driving

Authors:Dominik Hahn, S. A. Parameswaran, Benedikt Placke
摘要: 构建对应于给定哈密顿量 $H$ 的热密度矩阵 $\rho_{\beta}\propto e^{-\beta H}$ 是量子多体物理学中一项核心研究任务,在使用量子计算机进行研究时尤为重要。 尽管{原则上}可以通过近期构建的高效可模拟林德布拉德主方程得到解决——这些方程可证明 $\rho_{\beta}$ 为稳态 [C.-F. Chen {\it et al}, arXiv:2311.09207]——但它们的实现需要大规模量子计算资源,因此在当前甚至近期的量子设备上{在实践中}都具有挑战性。 在此,我们提出了一种近似构建量子热态的方案,该方案仅需要[重复]实现三个现成的要素:(a) $H$ 的模拟;(b) 与辅助量子比特进行严格局域但时间相关的耦合;以及 (c) 重置辅助设备。 我们给出了严格的性能保证,这些保证独立于对$H$的详细物理知识,除了它的局域性之外。
摘要: Preparing the thermal density matrix $\rho_{\beta}\propto e^{-\beta H}$ corresponding to a given Hamiltonian $H$ is a task of central interest across quantum many-body physics, and is particularly salient when attempting to study it with quantum computers. Although solved {in principle} by recent constructions of efficiently simulable Lindblad master equations -- that provably have $\rho_{\beta}$ as a steady state [C.-F. Chen {\it et al}, arXiv:2311.09207] -- their implementation requires large-scale quantum computational resources and is hence challenging {in practice} on current or even near-term quantum devices. Here, we propose a scheme for approximately preparing quantum thermal states that only requires the [repeated] implementation of three readily available ingredients: (a) analog simulation of $H$; (b) strictly local but time-dependent couplings to ancilla qubits; and (c) reset of the ancillas. We give rigorous performance guarantees independent of detailed physical knowledge of $H$ beyond its locality.
评论: 28页,3幅图
主题: 量子物理 (quant-ph) ; 其他凝聚态物理 (cond-mat.other); 统计力学 (cond-mat.stat-mech); 数学物理 (math-ph)
引用方式: arXiv:2505.22816 [quant-ph]
  (或者 arXiv:2505.22816v1 [quant-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2505.22816
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

提交历史

来自: Dominik Hahn [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 5 月 28 日 19:48:07 UTC (402 KB)
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