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量子物理

arXiv:2506.00215 (quant-ph)
[提交于 2025年5月30日 ]

标题: 混合量子比特-玻色子处理器的符号哈密顿量编译器

标题: Symbolic Hamiltonian Compiler for Hybrid Qubit-Boson Processors

Authors:Ethan Decker, Erik Gustafson, Evan McKinney, Alex K. Jones, Lucas Goetz, Ang Li, Alexander Schuckert, Samuel Stein, Gushu Li, Eleanor Crane
摘要: 费米子和玻色子相互作用的量子模拟——即自然界的基本粒子——对于材料科学、化学和高能物理中复杂量子系统的建模至关重要,并且已被提出作为一种有前景的费米子-玻色子量子计算机应用,这种计算机克服了将费米子和玻色子映射到量子比特时遇到的开销问题。 然而,将特定的费米子-玻色子哈密顿量的模拟编译为本机可用的费米子-玻色子门集是一项挑战。 特别是,玻色子的大局部维度使得基于矩阵的编译方法(如用于量子比特以及现有工具如Bosonic Qiskit或OpenFermion的方法)变得困难。 我们通过引入一种基于二次量子化哈密顿量的无矩阵符号操作的新颖符号编译器解决了这一问题,该编译器自动化地将费米子-玻色子二次量子化问题分解为量子比特-玻色子指令集架构。 这种集成建立了一个全面的管道,用于在新兴的量子比特-玻色子和费米子-玻色子硬件上模拟量子系统,为它们的大规模使用铺平了道路。
摘要: Quantum simulation of the interactions of fermions and bosons -- the fundamental particles of nature -- is essential for modeling complex quantum systems in material science, chemistry and high-energy physics and has been proposed as a promising application of fermion-boson quantum computers, which overcome the overhead encountered in mapping fermions and bosons to qubits. However, compiling the simulation of specific fermion-boson Hamiltonians into the natively available fermion-boson gate set is challenging. In particular, the large local dimension of bosons renders matrix-based compilation methods, as used for qubits and in existing tools such as Bosonic Qiskit or OpenFermion, challenging. We overcome this issue by introducing a novel symbolic compiler based on matrix-free symbolic manipulation of second quantised Hamiltonians, which automates the decomposition of fermion-boson second quantized problems into qubit-boson instruction set architectures. This integration establishes a comprehensive pipeline for simulating quantum systems on emerging qubit-boson and fermion-boson hardware, paving the way for their large-scale usage.
主题: 量子物理 (quant-ph) ; 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci); 强关联电子 (cond-mat.str-el)
引用方式: arXiv:2506.00215 [quant-ph]
  (或者 arXiv:2506.00215v1 [quant-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.00215
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Eleanor Crane [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 5 月 30 日 20:41:50 UTC (187 KB)
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