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自由能是一种重要的热力学性质，它使得计算物理系统几乎所有的平衡性质成为可能，从而可以构建相图并预测传输、化学反应和生物过程。因此，有效计算自由能的方法引起了物理学和自然科学领域的广泛关注，而自由能通常是一个难题。大多数计算自由能的技术都针对经典系统，而对量子系统中自由能的计算则较少探索。最近开发的涨落关系使得从一组动态模拟中计算量子系统中的自由能差异成为可能。虽然在经典计算机上执行此类模拟难度极大，但量子计算机可以有效地模拟量子系统的动态。在这里，我们提出了一种算法，该算法利用一种称为 Jarzynski 等式的涨落关系来在量子计算机上近似量子系统的自由能差异。我们讨论了在什么条件下我们的近似值会变得精确，以及在什么条件下它充当严格的上限。此外，我们成功地在真实的量子处理器上使用横向场 Ising 模型证明了我们的算法的概念。随着量子硬件的不断改进，我们预计我们的算法将能够计算自然科学中各种量子系统的自由能差异。
劳伦斯伯克利国家实验室
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