使用可重构量子比特实现费米子的快速仿真
量子物理
2025-09-12 v1 强关联电子
原子物理
摘要
大规模、准确的多费米子系统量子模拟是量子科学的核心挑战，具有化学、材料和高能物理等应用前景。尽管取得了显著进展，但实现通用费米子算法面临显著的时空开销，随着 N 个费米子模式而扩展为 O(N)。本文提出一种方法，实现对费米子仿真的更快，最坏情况下的时空开销为 O(log(N))，对于具有额外结构的电路（包括费米子快速傅里叶变换等关键子程序）为 O(1)。通过使用可重构的量子系统，结合非局域连通性、中间电路测量和经典馈送，生成动态的费米子到比特的映射，从而实现指数级的性能提升。我们将此技术应用于实现关键仿真任务的高效编译，包括稀疏 Sachdev-Ye-Kitaev 模型、周期性材料以及自由费米子态准备。此外，我们展示算法本身可适应仅使用 O(1) 开销结构进一步降低资源开销。这些技术可使实际系统规模下的门计数降低数个数量级，且原生兼容纠错计算，适用于早期容错量子设备。我们的结果紧密界定了费米子模型与比特模型之间的计算差距，为量子模拟算法的设计和实现开辟了新方向。
引用
@article{arxiv.2509.08898,
title = {Fast simulation of fermions with reconfigurable qubits},
author = {Nishad Maskara and Marcin Kalinowski and Daniel Gonzalez-Cuadra and Mikhail D. Lukin},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.08898},
year = {2025}
}