[论文解读] Towards Outperforming Classical Algorithms with Analog Quantum Simulators

Sarah Mostame, Joonsuk Huh+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 11

一句话总结

本文提出使用超导模拟量子模拟器，在模拟复杂开放量子系统（如具有253个声子模式的捕光天线复合物）方面超越经典计算机。通过利用通量任意子与线性代数浴变换的量子LC振荡器，该模拟器能够实现具有结构化谱密度的有限温度Holstein模型，实现目前经典方法无法达到的精确动力学。

ABSTRACT

With quantum computers being out of reach for now, quantum simulators are the alternative devices for efficient and more exact simulation of problems that are challenging on conventional computers. Quantum simulators are classified into analog and digital, with the possibility of constructing "hybrid" simulators by combining both techniques. In this paper, we focus on analog quantum simulators of open quantum systems and address the limit that they can beat classical computers. In particular, as an example, we discuss simulation of the chlorosome light-harvesting antenna from green sulfur bacteria with over 250 phonon modes coupled to each electronic state. Furthermore, we propose physical setups that can be used to reproduce the quantum dynamics of a standard and multiple-mode Holstein model. The proposed scheme is based on currently available technology of superconducting circuits consist of flux qubits and quantum oscillators.

研究动机与目标

• 展示基于超导电路的模拟量子模拟器可在模拟复杂开放量子系统方面超越经典算法。
• 解决模拟具有大量声子模式和结构化谱密度系统（如绿硫细菌中的捕光天线）的挑战。
• 将量子模拟扩展至广义Holstein模型的有限温度动力学，包括非马尔可夫效应。
• 实现对具有数千个声子模式的系统进行数值精确模拟，而这是当前经典超级计算机无法实现的。
• 提供一种可扩展、实验上可行的平台，利用现有超导技术模拟分子聚集体中的量子动力学。

提出的方法

• 该模拟基于一维超导通量任意子与量子LC振荡器耦合的链结构，实现多模Holstein哈密顿量。
• 系统哈密顿量包括电子跃迁、声子模式和电子-声子耦合，其参数源自捕光天线的QM/MM模拟。
• 应用线性代数浴变换，将任意子与253个谐振器之间的直接耦合减少，将模式分布至6条约43个振荡器的链中。
• 通过谱密度重标度引入有限温度效应：$ C(\omega,T) = \left\{1+\coth\left[\hbar\omega/(2k_B T)\right]\right\} J^A(\omega) $，其中 $ T_{\rm sim} = 10\,\text{mK} $ 且 $ T_{\rm ch} = 300\,\text{K} $。
• 耦合强度按 $ \mathcal{A}_{\rm sim} = (T_{\rm sim}/T_{\rm ch}) \mathcal{A}_{\rm ch} $ 重标度，得到任意子-振荡器耦合为150–210 MHz，振荡器-振荡器耦合为100–560 MHz。
• 高Q因子谐振器对于在模拟结构化环境中保持相干性和保真度至关重要。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于超导电路的模拟量子模拟器是否能在模拟具有复杂、结构化谱密度的开放量子系统方面超越经典算法？
• RQ2 当前模拟量子模拟器可模拟的最大声子模式数是多少？其性能如何超越经典计算极限？
• RQ3 如何利用超导电路精确模拟广义Holstein模型的有限温度动力学？
• RQ4 线性代数浴变换是否能在不损失保真度的前提下减少大规模量子模拟器中的直接耦合数量？
• RQ5 量子模拟器在模拟如捕光天线这类对经典方法不可解的系统时，其非马尔可夫动力学的模拟能力可达到何种程度？

主要发现

• 所提出的模拟量子模拟器可模拟高达253个声子模式的系统（如捕光天线），超过经典方法使用精确方法（如HEOM）可处理的约20个站点的极限。
• 模拟器在10 mK下运行，需将室温（300 K）下的参数重标度以保持物理等价性，耦合强度调整为150–210 MHz之间。
• 通过线性代数浴变换，直接耦合数量从253个减少至约6条43个振荡器的链，使架构在实验上可行。
• 基于QM/MM和含时DFT推导的捕光天线谱密度，被精确映射到超导电路架构中。
• 该方法实现了对复杂开放量子系统中非马尔可夫动力学的数值精确模拟，而这是当前经典超级计算机无法实现的。
• 该方法展示了利用现有超导技术高保真度模拟数千个声子模式的可扩展路径。