费米子模拟门制造技术

用于模拟物理系统的方法、系统和装置。在一个方面，一种方法包括：将描述物理系统的哈密顿量变换成描述对应的量子位系统的量子位哈密顿量，该量子位哈密顿量包括经变换的动能算符；模拟量子位系统在量子位哈密顿量下的演化，包括通过将费米子交换网络应用于量子位系统来模拟量子位系统在经变换的动能算符下的演化；以及使用量子位系统在量子位哈密顿量下的模拟演化以确定物理系统的性质。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】费米子模拟门
技术介绍
本说明书涉及量子计算。量子模拟器被设计为提供关于物理系统或设备的信息和见解的设备。量子模拟器使得难以在实验室中研究或不可能使用经典处理器建模的物理系统能够被模拟。
技术实现思路
本说明书描述了用于实施费米子模拟量子逻辑门的方法和系统。一般来说，本说明书中描述的主题的一个创新方面可以在用于模拟物理系统的方法中实施，该方法包括：将描述物理系统的哈密顿量变换成描述对应的量子位系统的量子位哈密顿量，该量子位哈密顿量包括经变换的动能算符；模拟量子位系统在量子位哈密顿量下的演化，包括通过将费米子交换网络应用于量子位系统来模拟量子位系统在经变换的动能算符下的演化；以及使用量子位系统在量子位哈密顿量下的模拟演化以确定物理系统的性质。该方面的其他实施方式包括对应的经典或量子计算机系统、装置和记录在一个或多个计算机存储设备上的计算机程序，其中各自被配置为执行该方法的动作。一个或多个计算机的系统可以被配置为通过在系统上安装软件、固件、硬件或其组合来执行特定的操作或动作，这些操作或动作在操作中使得系统执行这些动作。一个或多个计算机程序可以被配置为通过包括指令来执行特定的操作或动作，当指令被数据处理装置执行时，使得该装置执行动作。前述和其他实施方式可以各自可选地单独或组合地包括一个或多个以下特征。在一些实施方式中，费米子交换网络包括量子电路，该量子电路包括多层费米子交换门。在一些实施方式中，将描述物理系统的哈密顿量变换成对应的量子位哈密顿量包括应用乔丹-维格纳变换。在一些实施方式中，根据规范排序对量子位系统中的量子位进行索引，并且其中使用费米子交换网络来模拟量子位系统在经变换的动能算符下的演化包括，将多层费米子交换门中的每一层顺序地应用于量子位系统以改变量子位的规范排序，直到规范排序被反转并且每个索引已经与所有其他索引相邻一次。在一些实施方式中，经变换的动能算符包括作用于多个非相邻量子位的一个或多个算符，并且其中，将多层费米子交换门中的每一层顺序地应用于量子位系统将作用于多个非相邻量子位的一个或多个算符映射到作用于两个相邻量子位的算符。在一些实施方式中，作用于多个非相邻量子位的一个或多个算符包括形式为XpZp+1Zp+2…Zq-1Xq和YpZp+1Zp+2…Zq-1Yq的算符，其中，Xp表示应用于量子位p的泡利-X算符，Yp表示应用于量子位p的泡利-Y算符，以及Zp表示应用于量子位p的泡利-Z算符，并且其中，作用于两个相邻量子位的算符包括形式为XpXp+1和YpYp+1的算符。在一些实施方式中，使用费米子交换网络来模拟量子位系统在经变换的动能算符下的演化还包括：在费米子交换网络的层之间交织用于模拟量子位系统在作用于两个相邻量子位的算符下的演化的门；以及在模拟量子位系统的演化时应用经交织的门。在一些实施方式中，(i)量子位哈密顿量还包括经变换的相互作用项，该经变换的相互作用项包括作用于量子位系统中的非相邻量子位的算符，以及(ii)模拟量子位系统在量子位哈密顿量下的演化还包括使用费米子交换网络来模拟量子位系统在经变换的相互作用项下的演化，包括：在费米子交换网络的层之间交织用于模拟量子位系统在作用于相邻量子位的、经变换的相互作用项中的算符下的演化的门。在一些实施方式中，经变换的相互作用项包括形式为(II-Zp-Zp+1+ZpZP+1)的算符，其中Zp表示应用于量子位p的泡利-Z算符。在一些实施方式中，使用费米子交换网络来模拟量子位系统在量子位哈密顿量下的演化包括将费米子模拟门的网络应用于量子位系统，该费米子模拟门被配置为近似同时地(i)模拟在时间φ内量子位系统在算符XpXp+1+YpYp+1下的演化，(ii)模拟在时间θ内量子位系统在算符ZpZP+1下的演化，以及(iii)将费米子交换门应用于两种模式。在一些实施方式中，N选2个费米子模拟门足以实施演化的特罗特步骤，其中N表示量子位系统中的量子位的数量。在一些实施方式中，费米子模拟门由下式给出在一些实施方式中，模拟量子位系统在量子位哈密顿量下的演化还包括，将单量子位旋转应用于量子位系统以模拟相互作用项中的单量子位算符。在一些实施方式中，(i)量子位哈密顿量还包括经变换的外部电势，该经变换的外部电势包括作用于量子位系统中的单量子位的算符，以及(ii)模拟量子位系统在量子位哈密顿量下的演化还包括模拟量子位系统在经变换的外部电势下的演化，包括将单量子位旋转应用于量子位系统。在一些实施方式中，将多层费米子交换门中的每一层顺序地应用于量子位系统以改变量子位的规范排序包括：通过从1到N的规范排序对量子位进行索引；顺序地：将奇数编号的量子位和偶数编号的量子位之间的费米子交换门应用到右边；以及将偶数编号的量子位和奇数编号的量子位之间的费米子交换门应用到右边。在一些实施方式中，物理系统包括电子系统，并且其中应用的层的总数包括N个应用的层，其中，N表示电子系统中的轨道的数量和量子位系统中的量子位的数量。在一些实施方式中，作用于量子位p和量子位q＝p+1的费米子交换门由下式给出：在一些实施方式中，量子位哈密顿量描述经由线性最近邻耦合而相互作用的量子位系统。在一些实施方式中，物理系统包括电子系统。在一些实施方式中，电子系统表示化学物质或材料，并且其中，使用量子位系统在量子位哈密顿量下的模拟演化以确定电子系统的性质包括，使用量子位系统在量子位哈密顿量下的模拟演化以确定化学物质或材料的性质。在一些实施方式中，物理系统由二维哈伯德模型描述。本说明书中描述的主题可以以特定方式实施，以便实施一个或多个以下优点。如本说明书中所述，与模拟电子结构哈密顿量的其他系统相比，使用费米子模拟门模拟电子结构哈密顿量的系统可以实现更高的计算效率并且要求更少的计算资源。例如，本说明书中描述的系统将电子结构哈密顿量的动力学和相互作用项的模拟结合到单个交换网络中。因此，与用于模拟电子结构哈密顿量的其他系统不同，本说明书中描述的系统可以避免使用具有显著恒定开销的复杂过程，例如快速费米子傅立叶变换。此外，本说明书中描述的系统构造并实施了交换网络，该交换网络使用N层费米子交换门，其中N表示系统中的量子位的数量，并且仅要求量子位之间的线性最近邻连接。这提供了对要求量子位连接图是正方形网格并且使用更大数量(例如，)的费米子交换门的、用于模拟电子结构哈密顿量的其他系统的渐近改进。此外，系统使用的交换网络可以在没有限制性递归方案的情况下实施电子结构哈密顿量中的npnq项。作为另一示例，本说明书中描述的系统要求更少的量子逻辑门，并且只要求N2/2次纠缠双量子位的操作来模拟电子系统——使实施演化的显式特罗特步骤所要求的双量子位纠缠操作的数量下限饱和(lower-bound)。此外，如本说明书所述，用于模拟电子结构哈密顿量的系统在线性深度上模拟电子哈密顿量。如本说明书中所述，用于模拟电子结构哈密顿量的系统可以使用市售的超导平台来应用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于模拟物理系统的方法，所述方法包括：/n将描述物理系统的哈密顿量变换成描述对应的量子位系统的量子位哈密顿量，所述量子位哈密顿量包括经变换的动能算符；/n模拟量子位系统在量子位哈密顿量下的演化，包括通过将费米子交换网络应用于量子位系统来模拟量子位系统在经变换的动能算符下的演化；以及/n使用量子位系统在量子位哈密顿量下的模拟演化以确定物理系统的性质。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于模拟物理系统的方法，所述方法包括：
将描述物理系统的哈密顿量变换成描述对应的量子位系统的量子位哈密顿量，所述量子位哈密顿量包括经变换的动能算符；
模拟量子位系统在量子位哈密顿量下的演化，包括通过将费米子交换网络应用于量子位系统来模拟量子位系统在经变换的动能算符下的演化；以及
使用量子位系统在量子位哈密顿量下的模拟演化以确定物理系统的性质。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述费米子交换网络包括量子电路，所述量子电路包括多层费米子交换门。


3.根据权利要求2所述的方法，其中，将描述物理系统的哈密顿量变换成对应的量子位哈密顿量包括应用乔丹-维格纳变换。


4.根据权利要求3所述的方法，其中，根据规范排序对量子位系统中的量子位进行索引，并且其中，使用费米子交换网络来模拟量子位系统在经变换的动能算符下的演化包括，将多层费米子交换门中的每一层顺序地应用于量子位系统以改变量子位的规范排序，直到规范排序被反转并且每个索引已经与所有其他索引相邻一次。


5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述经变换的动能算符包括作用于多个非相邻量子位的一个或多个算符，并且其中，将多层费米子交换门中的每一层顺序地应用于量子位系统将作用于多个非相邻量子位的一个或多个算符映射到作用于两个相邻量子位的算符。


6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述作用于多个非相邻量子位的一个或多个算符包括形式为XpZp+1Zp+2…Zq-1Xq和YpZp+1Zp+2…Zq-1Yq的算符，其中，Xp表示应用于量子位p的泡利-X算符，Yp表示应用于量子位p的泡利-Y算符，以及Zp表示应用于量子位p的泡利-Z算符，并且其中，所述作用于两个相邻量子位的算符包括形式为XpXp+1和YpYp+1的算符。


7.根据权利要求5所述的方法，其中，使用费米子交换网络来模拟量子位系统在经变换的动能算符下的演化还包括：
在费米子交换网络的层之间交织用于模拟量子位系统在作用于两个相邻量子位的算符下的演化的门；以及
在模拟量子位系统的演化时应用经交织的门。


8.根据权利要求7所述的方法，其中
(i)量子位哈密顿量还包括经变换的相互作用项，所述经变换的相互作用项包括作用于量子位系统中的非相邻量子位的算符，以及
(ii)模拟量子位系统在量子位哈密顿量下的演化还包括使用费米子交换网络来模拟量子位系统在经变换的相互作用项下的演化，包括：
在费米子交换网络的层之间交织用于模拟量子位系统在作用于相邻量子位的、经变换的相互作用项中的算符下的演化的门。


9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述经变换的相互作用项包括形式为的算符，其中Zp表示应用于量子位p的泡利-Z算符。


10.根据权利要求9所述的方法，其中，使用费米子交换网络来模拟量子位系统在量子位哈密顿量下的演化包括将费米子模拟门的网络应用于量子位系统，所述费米子模拟门被配置为近似同时地(i)模拟在时间φ内量子位系统在算符XpXp...

【专利技术属性】
技术研发人员：R巴布什，
申请(专利权)人：谷歌有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US