[论文解读] QwaveMPS: An efficient open-source Python package for simulating non-Markovian waveguide-QED using matrix product states

Sofia Arranz Regidor, Matthew Kozma+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2026

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 0

一句话总结

QwaveMPS 是一个开源的 Python 库，使用矩阵积态来模拟一维波导-QED 系统，包括非马尔可夫时间延迟反馈和强非线性动力学，界面友好且可扩展。

ABSTRACT

QwaveMPS is an open-source Python library for simulating one-dimensional quantum many-body waveguide systems using matrix product states (MPS). It provides a user-friendly interface for constructing, evolving, and analyzing quantum states and operators, facilitating studies in quantum physics and quantum information with waveguide QED systems. This approach enables efficient, scalable simulations by focusing computational resources on the most relevant parts of the quantum system. Thus, one can study a wide range of complex dynamical interactions, including time-delayed feedback effects in the non-Markovian regime and deeply non-linear systems, at a highly reduced computational cost compared to full Hilbert space approaches, making it both practical and convenient to model a variety of open waveguide-QED systems (in Markovian and non-Markovian regimes), treating quantized atoms and quantized photons on an equal footing.

研究动机与目标

• 推动在马尔可夫近似之外对波导-QED 进行数值精确仿真的必要性。
• 提供一个易于访问的开源工具，实现张量网络方法用于波导-QED。
• 使在一维系统中对时间延迟反馈、非线性和多量子动力学的研究成为可能。
• 展示在马尔可夫和非马尔可夫两种范式下的适用性，并给出实用基准测试。

提出的方法

• 使用矩阵积态（MPS）表示系统及离散化时间桶的波导场。
• 将波导离散为时间桶，并用矩阵积算子（MPO）来形式化时间演化。
• 将初态表示为矩阵积态，并用时间步 MPOs 对马尔可夫和非马尔可夫动力学进行演化。
• 在 MPO/MPS 框架中定义初态（如 TLS 激发态、真空态、费克脉冲）和哈密顿量（包括多发射体情形）。
• 从演化后的时间桶中计算观测量，包括洪态、光子通量、双时相关、谱和纠缠。
• 提供预定义哈密顿量（如 1TLS、带反馈的 1TLS、2TLS）和马尔可夫/非马尔可夫情形的演化程序。

Figure 1: Schematic of some example cases calculated using QwaveMPS. These can represent various waveguide-QED systems, including semiconductors and superconducting circuits. (a) Decay of a TLS in a waveguide, where $\gamma_{L}$ and $\gamma_{R}$ are the left/right coupling rates. (b) Decay of a TLS

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在超越马尔可夫近似的情况下高效仿真带时间延迟反馈的非马尔可夫波导-QED 动力学？
• RQ2 基于 MPS 的方法是否能够准确捕捉波导-QED 系统中的非线性和多光子动力学？
• RQ3 QwaveMPS 在多发射体和延迟反馈配置下在马尔可夫与非马尔可夫两种范式中的性能与扩展性如何？
• RQ4 基于 MPS 的观测量（人口、通量、相关、纠缠）在再现已知基准和解析解方面的表现如何？

主要发现

• QwaveMPS 通过使用 MPS 实现带延迟线和非线性的一维波导-QED 系统的数值精确仿真，具有可扩展的性能。
• 该软件包支持马尔可夫与非马尔可夫两种范式，包括时间延迟反馈和回路光子动力学。
• 示例展示了线性与非线性动力学、多发射体以及量子脉冲的情形，可观测量包括人口、通量、相关、谱和纠缠。
• 在标准工作站上，所示示例的运行时间大约为一秒，内存使用适中，显示在典型硬件上的可操作性。
• 结果包含守恒性检查（量子守恒）以及在具有代表性的情形下与解析/常微分方程基准的一致性。

Figure 2: Diagrammatic representation of an SVD, where $U$ represents a left-normalized tensor (green bins), $V$ is a right-normalized (magenta bin) and $S$ represents the diagonal matrix with the Schmidt coefficients (blue bin), and its subsequent contraction, where $OC$ represents the orthogonalit