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Erschienen in: Quantum Information Processing 4/2021

01.04.2021

Digital quantum simulation of non-equilibrium quantum many-body systems

verfasst von: Benedikt Fauseweh, Jian-Xin Zhu

Erschienen in: Quantum Information Processing | Ausgabe 4/2021

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Abstract

Digital quantum simulation uses the capabilities of quantum computers to determine the dynamics of quantum systems, which are beyond the computability of modern classical computers. A notoriously challenging task in this field is the description of non-equilibrium dynamics in quantum many-body systems. Here, we use the IBM quantum computers to simulate the non-equilibrium dynamics of few spin and fermionic systems. Our results reveal that with a combination of error mitigation, noise extrapolation and optimized initial state preparation, one can tackle the most important drawbacks of modern quantum devices. The systems we simulate demonstrate the potential for large-scale quantum simulations of light–matter interactions in the near future.

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2.
Zurück zum Zitat Mitrano, M., Cantaluppi, A., Nicoletti, D., Kaiser, S., Perucchi, A., Lupi, S., Di Pietro, P., Pontiroli, D., Riccò, M., Clark, S.R., Jaksch, D., Cavalleri, A.: Possible light-induced superconductivity in K3C60 at high temperature. Nature 530(7591), 461–464 (2016). https://doi.org/10.1038/nature16522ADSCrossRef Mitrano, M., Cantaluppi, A., Nicoletti, D., Kaiser, S., Perucchi, A., Lupi, S., Di Pietro, P., Pontiroli, D., Riccò, M., Clark, S.R., Jaksch, D., Cavalleri, A.: Possible light-induced superconductivity in K3C60 at high temperature. Nature 530(7591), 461–464 (2016). https://​doi.​org/​10.​1038/​nature16522ADSCrossRef
3.
Zurück zum Zitat Sieea, E.J., Nyby, C.M., Pemmaraju, C.D., Park, S.J., Shen, X., Yang, J., Hoffmann, M.C., Ofori-Okai, B.K., Li, R., Reid, A.H., Weathersby, S., Mannebach, E., Finney, N., Rhodes, D., Chenet, D., Antony, A., Balicas, L., Hone, J., Devereaux, T.P., Heinz, T.F., Wang, X., Lindenberg, A.M.: An ultrafast symmetry switch in a Weyl semimetal. Nature 565(7737), 61–66 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0809-4ADSCrossRef Sieea, E.J., Nyby, C.M., Pemmaraju, C.D., Park, S.J., Shen, X., Yang, J., Hoffmann, M.C., Ofori-Okai, B.K., Li, R., Reid, A.H., Weathersby, S., Mannebach, E., Finney, N., Rhodes, D., Chenet, D., Antony, A., Balicas, L., Hone, J., Devereaux, T.P., Heinz, T.F., Wang, X., Lindenberg, A.M.: An ultrafast symmetry switch in a Weyl semimetal. Nature 565(7737), 61–66 (2019). https://​doi.​org/​10.​1038/​s41586-018-0809-4ADSCrossRef
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Zurück zum Zitat Barends, R., Lamata, L., Kelly, J., García-Álvarez, L., Fowler, A.G., Megrant, A., Jeffrey, E., White, T.C., Sank, D., Mutus, J.Y., Campbell, B., Chen, Y., Chen, Z., Chiaro, B., Dunsworth, A., Hoi, I.C., Neill, C., O’Malley, P.J.J., Quintana, C., Roushan, P., Vainsencher, A., Wenner, J., Solano, E., Martinis, J.M.: Digital quantum simulation of fermionic models with a superconducting circuit. Nat. Commun. 6(1), 7654 (2015). https://doi.org/10.1038/ncomms8654ADSCrossRef Barends, R., Lamata, L., Kelly, J., García-Álvarez, L., Fowler, A.G., Megrant, A., Jeffrey, E., White, T.C., Sank, D., Mutus, J.Y., Campbell, B., Chen, Y., Chen, Z., Chiaro, B., Dunsworth, A., Hoi, I.C., Neill, C., O’Malley, P.J.J., Quintana, C., Roushan, P., Vainsencher, A., Wenner, J., Solano, E., Martinis, J.M.: Digital quantum simulation of fermionic models with a superconducting circuit. Nat. Commun. 6(1), 7654 (2015). https://​doi.​org/​10.​1038/​ncomms8654ADSCrossRef
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Zurück zum Zitat Barends, R., Shabani, A., Lamata, L., Kelly, J., Mezzacapo, A., Heras, U.L., Babbush, R., Fowler, A.G., Campbell, B., Chen, Y., Chen, Z., Chiaro, B., Dunsworth, A., Jeffrey, E., Lucero, E., Megrant, A., Mutus, J.Y., Neeley, M., Neill, C., O’Malley, P.J.J., Quintana, C., Roushan, P., Sank, D., Vainsencher, A., Wenner, J., White, T.C., Solano, E., Neven, H., Martinis, J.M.: Digitized adiabatic quantum computing with a superconducting circuit. Nature 534(7606), 222–226 (2016). https://doi.org/10.1038/nature17658ADSCrossRef Barends, R., Shabani, A., Lamata, L., Kelly, J., Mezzacapo, A., Heras, U.L., Babbush, R., Fowler, A.G., Campbell, B., Chen, Y., Chen, Z., Chiaro, B., Dunsworth, A., Jeffrey, E., Lucero, E., Megrant, A., Mutus, J.Y., Neeley, M., Neill, C., O’Malley, P.J.J., Quintana, C., Roushan, P., Sank, D., Vainsencher, A., Wenner, J., White, T.C., Solano, E., Neven, H., Martinis, J.M.: Digitized adiabatic quantum computing with a superconducting circuit. Nature 534(7606), 222–226 (2016). https://​doi.​org/​10.​1038/​nature17658ADSCrossRef
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Zurück zum Zitat Iten, R., Reardon-Smith, O., Mondada, L., Redmond, E., Singh Kohli, R., Colbeck, R.: Introduction to UniversalQCompiler (2019) . arXiv e-prints arXiv:1904.01072 Iten, R., Reardon-Smith, O., Mondada, L., Redmond, E., Singh Kohli, R., Colbeck, R.: Introduction to UniversalQCompiler (2019) . arXiv e-prints arXiv:​1904.​01072
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Zurück zum Zitat Jurcevic, P., Javadi-Abhari, A., Bishop, L.S., Lauer, I., Bogorin, D.F., Brink, M., Capelluto, L., Günlük, O., Itoko, T., Kanazawa, N., Kandala, A., Keefe, G.A., Kruslich, K., Landers, W., Lewandowski, E.P., McClure, D.T., Nannicini, G., Narasgond, A., Nayfeh, H.M., Pritchett, E., Rothwell, M.B., Srinivasan, S., Sundaresan, N., Wang, C., Wei, K.X., Wood, C.J., Yau, J.B., Zhang, E.J., Dial, O.E., Chow, J.M., Gambetta, J.M.: Demonstration of quantum volume 64 on a superconducting quantum computing system. Quantum Science and Technology 6(2), 025020 (2021). https://doi.org/10.1088/2058-9565/abe519 Jurcevic, P., Javadi-Abhari, A., Bishop, L.S., Lauer, I., Bogorin, D.F., Brink, M., Capelluto, L., Günlük, O., Itoko, T., Kanazawa, N., Kandala, A., Keefe, G.A., Kruslich, K., Landers, W., Lewandowski, E.P., McClure, D.T., Nannicini, G., Narasgond, A., Nayfeh, H.M., Pritchett, E., Rothwell, M.B., Srinivasan, S., Sundaresan, N., Wang, C., Wei, K.X., Wood, C.J., Yau, J.B., Zhang, E.J., Dial, O.E., Chow, J.M., Gambetta, J.M.: Demonstration of quantum volume 64 on a superconducting quantum computing system. Quantum Science and Technology 6(2), 025020 (2021). https://​doi.​org/​10.​1088/​2058-9565/​abe519
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Zurück zum Zitat Asfaw, A., Bello, L., Ben-Haim, Y., Bravyi, S., Bronn, N., Capelluto, L., Vazquez, A.C., Ceroni, J., Chen, R., Frisch, A., Gambetta, J., Garion, S., Gil, L., Gonzalez, S.D.L.P., Harkins, F., Imamichi, T., McKay, D., Mezzacapo, A., Minev, Z., Movassagh, R., Nannicni, G., Nation, P., Phan, A., Pistoia, M., Rattew, A., Schaefer, J., Shabani, J., Smolin, J., Temme, K., Tod, M., Wood, S., Wootton, J. Learn quantum computation using qiskit (2020). http://community.qiskit.org/textbook Asfaw, A., Bello, L., Ben-Haim, Y., Bravyi, S., Bronn, N., Capelluto, L., Vazquez, A.C., Ceroni, J., Chen, R., Frisch, A., Gambetta, J., Garion, S., Gil, L., Gonzalez, S.D.L.P., Harkins, F., Imamichi, T., McKay, D., Mezzacapo, A., Minev, Z., Movassagh, R., Nannicni, G., Nation, P., Phan, A., Pistoia, M., Rattew, A., Schaefer, J., Shabani, J., Smolin, J., Temme, K., Tod, M., Wood, S., Wootton, J. Learn quantum computation using qiskit (2020). http://​community.​qiskit.​org/​textbook
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Zurück zum Zitat Fauseweh, B., Zhu, J.X.: Supplementary Material for “Digital Quantum Simulation of Non-Equilibrium Quantum Many-Body Systems” Fauseweh, B., Zhu, J.X.: Supplementary Material for “Digital Quantum Simulation of Non-Equilibrium Quantum Many-Body Systems”
Metadaten
Titel
Digital quantum simulation of non-equilibrium quantum many-body systems
verfasst von
Benedikt Fauseweh
Jian-Xin Zhu
Publikationsdatum
01.04.2021
Verlag
Springer US
Erschienen in
Quantum Information Processing / Ausgabe 4/2021
Print ISSN: 1570-0755
Elektronische ISSN: 1573-1332
DOI
https://doi.org/10.1007/s11128-021-03079-z

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