利用硬件感知原生门将费米-哈伯德模型作为格规范理论进行离子阱量子模拟
量子物理
2025-10-22 v2 强关联电子
摘要
费米-哈伯德模型（FHM）是一个简单却丰富的强相互作用电子模型，具有复杂的动力学和多种涌现的量子相。这些特性使其成为数字量子模拟的有力目标。基于 Trotter 化的量子模拟显示出前景，但当前硬件上的实现受噪声限制，需要误差缓解技术，如电路优化和后选择。最近提出了一种将 FHM 映射到 Z2 格规范理论（LGT）的方法，该方法将动力学限制在由额外对称性保护的子空间内，并通过有噪经典模拟验证了其后选择误差缓解能力。在本工作中，我们在离子阱量子计算机上提出并演示了一套算法-硬件协同设计策略，针对 NISQ 时代量子模拟的两个关键方面：电路编译和误差缓解。特别地，迭代预条件梯度下降（IPG）与子系统冯·诺依曼熵压缩的新颖组合将 FHM 量子模拟的双量子比特门数量减少了 35%，结合基于守恒对称性、去偏和锐化技术的误差缓解，使可模拟的 Trotter 步数翻倍。我们的工作展示了算法-硬件协同设计在当前硬件允许的最大电路深度阈值下操作数字量子模拟器的价值，并可广泛推广到量子化学和材料科学中的强关联系统。
引用
@article{arxiv.2411.07778,
title = {Trapped-ion quantum simulation of the Fermi-Hubbard model as a lattice gauge theory using hardware-aware native gates},
author = {Dhruv Srinivasan and Alex Beyer and Daiwei Zhu and Pranav Srikanth and Spencer Churchill and Kushagra Mehta and Sashank Kaushik Sridhar and Kushal Chakrabarti and David W. Steuerman and Nikhil Chopra and Avik Dutt},
journal= {arXiv preprint arXiv:2411.07778},
year = {2025}
}