Experiment la scară de utilitate II
Yukio Kawashima (12 iulie 2024)
Descarcă PDF-ul al prelegerii originale. Reține că unele fragmente de cod pot deveni depășite, deoarece acestea sunt imagini statice.
Timpul aproximativ de QPU pentru a rula acest experiment este de 2 min 30 s.
(Reține că acest notebook a folosit texte, ilustrații și cod dintr-un notebook tutorial acum deprecat pentru Qiskit Algorithms.)
1. Introducere și recapitularea evoluției temporale
Acest notebook urmează metodele și tehnicile din lecția 7. Scopul nostru este să rezolvăm numeric ecuația Schrödinger dependentă de timp. Așa cum s-a discutat în lecția 7, Trotterizarea constă în aplicarea succesivă a unui Gate sau a mai multor Gate-uri cuantice, alese pentru a aproxima evoluția temporală a unui sistem pe o felie de timp. Repetăm acea discuție aici pentru confort. Poți sări direct la celulele de cod de mai jos dacă ai revizuit recent lecția 7.
Pornind de la ecuația Schrödinger, evoluția temporală a unui sistem inițial în starea are forma:
unde este Hamiltonianul independent de timp care guvernează sistemul. Considerăm un Hamiltonian care poate fi scris ca o sumă ponderată de termeni Pauli , cu reprezentând un produs tensorial de termeni Pauli care acționează pe qubiți. În particular, acești termeni Pauli pot comuta între ei sau nu. Dat fiind o stare la momentul , cum obținem starea sistemului la un moment ulterior folosind un calculator cuantic? Exponențiala unui operator poate fi cel mai ușor înțeleasă prin seria sa Taylor:
Unele exponențiale foarte simple, cum ar fi , pot fi implementate ușor pe calculatoare cuantice folosind un set compact de Gate-uri cuantice. Majoritatea Hamiltonienilor de interes nu vor avea un singur termen, ci vor avea în schimb mulți termeni. Observă ce se întâmplă dacă :
Când și comutează, avem cazul familiar (care este valabil și pentru numere și variabilele și de mai jos):
Dar când operatorii nu comutează, termenii nu pot fi rearanjați în seria Taylor pentru a simplifica în acest mod. Astfel, exprimarea Hamiltonienilor complecși în Gate-uri cuantice reprezintă o provocare.
O soluție este să consideri un timp foarte mic, astfel încât termenul de ordinul întâi din expansiunea Taylor să domine. Sub acea presupunere:
Bineînțeles, s-ar putea să fie nevoie să evoluăm starea noastră pentru o perioadă mai lungă. Aceasta se realizează folosind mulți astfel de pași mici în timp. Acest proces se numește Trotterizare:
Aici este feliuța de timp (pasul de evoluție) pe care o alegem. Ca rezultat, se creează un Gate care urmează să fie aplicat de ori. Un pas de timp mai mic duce la o aproximare mai precisă. Cu toate acestea, aceasta duce și la Circuit-uri mai adânci care, în practică, duc la o acumulare mai mare de erori (o preocupare non-neglijabilă pe dispozitivele cuantice din generația actuală).
Astăzi, vom studia evoluția temporală a modelului Ising pe rețele liniare de și site-uri. Aceste rețele constau dintr-un șir de spinuri care interacționează doar cu vecinii lor cei mai apropiați. Aceste spinuri pot avea două orientări: și , care corespund unei magnetizări de și respectiv.