基于线路的数字化绝热量子模拟与伪量子模拟作为格点规范理论的新途径

规范理论是粒子物理标准模型的框架，在凝聚态物理中也很重要。作为其主要的非微扰方法，格点规范理论传统上采用蒙特卡洛模拟实现，因而通常受费米子符号问题与缺乏实时动力学等困扰。有望通过量子模拟避免这些问题，后者利用可控的真实量子过程模拟量子系统。量子模拟领域正快速发展。在此我们提出一种基于线路的数字化量子模拟方案，用于模拟 $2+1$ 和 $3+1$ 维量子 $\mathbb{Z}_2$ 格点规范理论，采用由通用量子门实现的量子绝热算法。我们的算法将 Trotter 与对称分解推广到分解中哈密顿量在每一步变化的情况。此外，我们在经典 GPU 模拟器中完整演示了该方案，并获得了量子 $\mathbb{Z}_2$ 格点规范理论的关键特征，包括量子相变、拓扑性质、规范不变性与对偶性。此处称为伪量子模拟，即在先进快速计算机上对量子模拟的经典演示，不仅促进真实量子模拟方案与算法的发展，也代表了一种实用的计算新途径。