[论文解读] Quantum simulation of Hamiltonian spectra on a silicon chip

Raffaele Santagati, Jia-Chao Wang+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 10被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种混合量子算法，结合变分方法与相位估计算法，并通过本征态判据实现，以高效近似计算哈密顿量的基态和激发态本征值。该方法在可批量生产的硅光子芯片上实验验证，本征值估计的保真度超过99%，精度达32位，标志着迈向可扩展的量子化学模拟迈出了重要一步。

ABSTRACT

The efficient calculation of Hamiltonian spectra, a problem often intractable on classical machines, can find application in many fields, from physics to chemistry. Here, we introduce the concept of an eigenstate witness and through it provide a new quantum approach which combines variational methods and phase estimation to approximate eigenvalues for both ground and excited states. This protocol is experimentally verified on a programmable silicon quantum photonic chip, a mass-manufacturable platform, which embeds entangled state generation, arbitrary controlled-unitary operations, and projective measurements. Both ground and excited states are experimentally found with fidelities >99%, and their eigenvalues are estimated with 32-bits of precision. We also investigate and discuss the scalability of the approach and study its performance through numerical simulations of more complex Hamiltonians. This result shows promising progress towards quantum chemistry on quantum computers.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展且实验可行的方法，用于计算哈密顿量谱，特别是经典计算难以处理的基态和激发态本征值。
• 将变分方法与相位估计算法结合，利用本征态判据以提高量子谱模拟的精度与效率。
• 在可批量制造的硅量子光子平台上实现该方法，该平台能够支持量子纠缠、酉操作和投影测量。
• 通过高保真度态制备与精确的本征值估计，对方法进行实验验证。
• 通过数值模拟评估该协议在更大、更复杂哈密顿量上的可扩展性与性能表现。

提出的方法

• 该协议引入本征态判据作为工具，在变分优化过程中验证并引导目标本征态的识别。
• 将类似变分量子本征求解器（VQE）的态制备与量子相位估计算法（QPE）结合，以精炼本征态与本征值的估计。
• 该方法利用可编程硅光子芯片，支持纠缠态生成、任意受控酉操作及投影测量。
• 本征态判据通过验证目标态与制备态的重叠度，实现对基态与激发态的可靠检测。
• 算法采用迭代优化制备候选态，随后通过相位估计算法高精度提取本征值。
• 通过数值模拟评估该方法在超越实验系统规模的更大、更复杂哈密顿量上的可扩展性与性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 结合变分方法与相位估计算法的混合量子算法能否准确近似哈密顿量的基态与激发态本征值？
• RQ2 本征态判据概念能否在可扩展、可批量制造的光子平台上实验实现，以验证目标本征态？
• RQ3 在真实量子硬件平台上，该方法在本征值估计方面可实现多高的保真度与精度？
• RQ4 当该方法应用于日益复杂的哈密顿量时，其性能表现如何扩展？
• RQ5 在单个硅光子芯片上集成纠缠态生成、受控酉操作与投影测量，用于谱模拟的实验可行性如何？

主要发现

• 该协议在硅光子芯片上成功识别了基态与激发态，态制备保真度超过99%。
• 本征值估计精度达到32位，表明在实验平台上实现了高分辨率的谱分析。
• 本征态判据在变分优化过程中实现了对目标本征态的可靠检测与验证。
• 该方法在可编程、可批量制造的硅量子光子芯片上得到实验验证，该芯片能够支持所有必需的量子操作。
• 数值模拟证实了该方法在更大、更复杂哈密顿量上的可扩展性。
• 结果标志着在利用近中期量子硬件实现实用化量子化学模拟方面迈出了重要一步。