微观纪元在量子编码与化学领域取得进展|左芬
近日,上海微观纪元数字科技有限公司(以下简称“微观纪元”)量子计算化学团队利用量子编码技术揭示出化学体系中简单而优美的量子纠缠结构,并在此基础上快速求解出体系基态的近似能量。论文的详细信息见文末。这一突破性进展有望在计算化学和量子算法领域均引起重大变革。
01
求解薛定谔方程
有一种观点认为,电子的费米子特性是这一难题的根源。费米子的诡异性质之一就是,交换两个相同的费米子会带来一个负号,要再交换一次才能还原。与之相对的,跟我们的直觉更相符的粒子则被称为玻色子,例如光子。早在1928年,Jordan和Wigner就找到了将有序费米子体系转换为玻色子体系的方法。量子计算兴起之后,因为实际构建的量子比特都是玻色子,人们又发明了另外两种将费米子转换为玻色子的变换方法。但是,做了这些变换之后,电子相互作用的哈密顿量(可以简单地理解为能量)的表达式似乎更加复杂了,相应的薛定谔方程也更加复杂。这就使得寻找电子纠缠结构的问题更加扑朔迷离。
02
利用量子编码技术
微观纪元团队得以初步解决这一难题的关键是利用了量子信息学家们在上世纪末发展起来的量子编码技术,特别是其中的稳定子(stabilizer)表述。对于物理学家来说,有一个非常直接的方法来理解这一表述:所谓稳定子,可以粗略地理解为“一组相互对易的力学量”;而稳定子态,就是它们的“共同本征态”,且本征值均为1。只不过对于量子比特来说,稳定子表述具有更加丰富而优美的数学结构。有了稳定子这一“火眼金睛”,电子体系的纠缠结构可以说一目了然。下面我们仍然用H2分子的基态来简单说明。
我们知道,H2分子有两个原子轨道,考虑到电子自旋,会有四个自旋轨道。相应地,我们可以用四个量子比特去描述。利用对称性可以将量子比特数削减(tapering)为两个。这一步不是必需的,但可以让结果更加显然。这样一来,我们会得到如下的哈密顿量(键长为0.74 Å):
H = -1.0534210769165204 * II
+ 0.39484436335590356 * IZ
- 0.39484436335590367 * ZI
+ 0.1812104620151969 * XX
- 0.011246157150821112 * ZZ.
+ 0.2930431286727852 * XX
如果你没能一眼看出来,说明你还需要回太上老君的八卦炉里再修炼一阵。当然也许这个问题并不像我说的这么简单。因为化学家们20多年前就已经得出哈密顿量的类似表达式了,但他们似乎并没能从中看出电子的纠缠行为。
论文信息:
Stabilizer Approximation, Xinying Li, Jianan Wang, Chuixiong Wu, Fen Zuo,
https://arxiv.org/abs/2209.09564
Github链接:
https://github.com/MiqroEra/Stabilizer
本文2022年10月13日19:00发表于微信公众号 光子盒(微观纪元在量子编码与化学领域取得进展),风云之声获授权转载。
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■ 作者简介
中国科大理论物理学博士
本科就读于中国科大少年班,在中科院理论物理所、高能物理所、意大利国家核物理研究所从事博士后工作,曾任华中科技大学副教授
主要研究方向为粒子物理、弦论、量子计算和相关代数结构
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来源: qq
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