量子色动力学 (QCD) 在从核力将原子核结合在一起到非弹性强子碰撞以及极端条件下物质的行为(如超新星和早期宇宙)等一系列现象中发挥着重要作用。自 20 世纪 70 年代发现以来,已经开发出许多分析和数值工具来研究 QCD。最成功的数值计算方法之一是格点 QCD [1,2]。已经使用格点 QCD 对强子谱 [3 – 5];电弱矩阵元 [6 – 14];高温低密度系统和一些多强子系统 [15 – 18] 的性质进行了高精度计算(最近的综述见参考文献 [19,20])。然而,一些重要可观测量的格点 QCD 计算受到所用随机采样中存在的符号问题的限制。例如,模拟高密度的 QCD [21-25]、与超新星和早期宇宙相关的 QCD,或者带有 θ 项的 QCD,存在符号问题 [26],超出了经典计算机的大规模能力范围。20 世纪 80 年代,费曼 [27] 和贝尼奥夫 [28] 认识到了经典计算机模拟量子物理的局限性,他们提出使用受控量子系统来模拟感兴趣的量子系统。最近,实验室中对量子系统的控制迅速改进,导致了最初几代量子计算机的诞生。人们已经探索了许多不同的平台,包括但不限于:
将连续规范场映射到量子计算机的复杂性限制了 QCD 动力学的量子模拟。通过以普朗克自由度的形式参数化规范不变希尔伯特空间,我们展示了如何将希尔伯特空间和相互作用展开为 N c 的逆幂。在这个展开的领先阶下,哈密顿量大大简化,无论是在所需的希尔伯特空间大小还是所涉及的相互作用类型方面。通过添加所得希尔伯特空间的局部能量状态截断,我们给出了明确的构造,允许在量子位和量子三元组上简单表示 SU(3) 规范场。此公式允许在 ibm_torino 上以 CNOT 深度 113 模拟 5 × 5 和 8 × 8 格子上 SU(3) 格子规范理论的实时动力学。
最近有人提出,嘈杂的中型量子计算机可用于优化经典计算机上格子量子场论 (LQFT) 计算的插值算子构造。这里,开发并实施了该方法的两种具体实现。第一种方法是最大化插值算子作用于真空状态与目标本征态所创建状态的重叠或保真度。第二种方法是最小化插值状态的能量期望值。这些方法在 (1 + 1) 维中针对单一味大质量 Schwinger 模型的概念验证计算中实现,以获得理论中矢量介子状态的量子优化插值算子构造。虽然在没有量子门误差噪声的情况下,保真度最大化是更好的选择,但在概念验证计算中,能量最小化对这些影响更具鲁棒性。这项工作具体展示了中期量子计算机如何用于加速经典 LQFT 计算。
我们研究基于具有二维和三维空间子系统对称性的 Z 2 格子规范理论的具有类分形序的模型。当子系统对称性被破坏时,三维 (3D) 模型会简化为 3D 环面代码,从而给出子系统对称性富集拓扑相的一个例子。尽管没有拓扑保护,但其基态简并度的主要贡献是一个随系统线性尺寸的平方呈指数增长的项。此外,还有完全移动的规范电荷与不可移动的分形子共存。我们的方法表明,类分形相也存在于更常见的格子规范理论中。我们计算了这些模型在格子子区域 A 中的纠缠熵 SA,并表明它等于将完整模型限制为 A 的特定基态简并度的对数。
摘要:近年来,量子计算 (QC) 在流体动力学模拟中的应用已发展成为一个动态研究课题。由于许多科学和工程领域中的流动问题需要大量计算资源,因此 QC 加速模拟和促进更详细建模的潜力成为这一研究兴趣日益增长的主要动机。尽管取得了显著进展,但在创建流体建模的量子算法方面仍然存在许多重要挑战。本文在基于格子的流体建模背景下研究了流体建模中控制方程的非线性这一关键挑战。详细介绍了 D1Q3(一维,三个离散速度)格子玻尔兹曼模型的量子电路以及涉及电路宽度和深度的设计权衡。然后,将设计扩展为非线性 Burgers 方程的一维格子模型。为了便于评估非线性项,所提出的量子电路采用量子计算基编码。本研究的第二部分介绍了一种用于多维晶格模型中非线性项的新型模块化量子电路实现。具体而言,详细介绍了二维模型中动能的评估,这是二维和三维格子玻尔兹曼方法碰撞项量子电路的第一步。量子电路分析表明,利用 O (100) 容错量子比特,可以在不久的将来进行有意义的概念验证实验。
摘要 —我们提出了 SnCQA,这是一组硬件高效的等变分电路,分别针对置换对称性和空间格子对称性,量子比特数为 n。通过利用系统的置换对称性(例如许多量子多体和量子化学问题中常见的格子哈密顿量),我们的量子神经网络适用于解决存在置换对称性的机器学习问题,这可以大大节省计算成本。除了理论上的新颖性之外,我们发现我们的模拟在量子计算化学中学习基态的实际实例中表现良好,我们可以通过几十个参数实现与传统方法相当的性能。与其他传统变分量子电路(如纯硬件高效假设(pHEA))相比,我们表明 SnCQA 更具可扩展性、准确性和抗噪声能力(在 3 × 4 方格上的性能提高了 20 倍,在我们的案例中,在各种格子尺寸和关键标准(例如层数、参数和收敛时间)下节省了 200% - 1000% 的资源),这表明在近时间量子设备上进行实验可能是有利的。
- (sign-based signature) CROSS, Enhanced pqsigRM, FuLeeca, LESS, MEDS, Wave (homogeneous map signature) SQIsign (lattice-based signature) EagleSign, EHTv3 and EHTv4, HAETAE, HAWK, HuFu, Raccoon, SQUIRRELS (MPC-in-the-Head signature) Biscuit, MIRA, MiRitH, MQOM, PERK, RYDE, SDitH (multivariable signature) 3WISE, DME-Sign, HPPC, MAYO, PROV, QR-UOV, SNOVA, TUOV, UOV, VOX (symmetric base signatures) AIMer, Ascon-Sign, FAEST, SPHINCS-alpha (other signatures) ALTEQ, eMLE-Sig 2.0, KAZ-SIGN, Preon, Xifrat1-Sign.I