Universal quantum simulation of single-qubit nonunitary operators using duality quantum algorithm.
Universal quantum simulation of single-qubit nonunitary operators using duality quantum algorithm.
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使用对偶量子算法的单量子位非酉算子的通用量子模拟
DOI：
10.1038/s41598-021-83521-5
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发表时间：
2021-02-17
影响因子：
4.6
通讯作者：
Zheng C
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Zheng C
量子信息处理增强了人类在量子水平上模拟自然、高效解决复杂问题的能力。在此过程中，执行一系列运算符来演化系统或承担计算任务。近年来，人们对非厄米量子系统、耗散量子系统以及新的量子算法的研究兴趣大大增加，其中非么正算符扮演着重要的角色。在这项工作中，我们利用单量子比特非幺正动力学的幺正线性组合技术，给出了所需幺正的显式分解，并利用对偶量子算法模拟了任意含时单量子比特非幺正算符F（t）.我们发现，成功概率不仅取决于F（t）和初始状态，而且与辅助Hilbert子空间的维数成反比。在一般情况下，模拟可以在八维和六维希尔伯特空间中实现。在相位匹配条件下，F（t）可以仅由两个量子比特来模拟。我们通过模拟典型的非厄米系统和单量子比特测量来说明我们的方法。我们的方法可以推广到高维情形，如Abrams Lloyd的双量子比特门。通过讨论其实用性，我们期待在不久的将来得到应用和实验实现。
Quantum information processing enhances human’s power to simulate nature in quantum level and solve complex problem efficiently. During the process, a series of operators is performed to evolve the system or undertake a computing task. In recent year, research interest in non-Hermitian quantum systems, dissipative-quantum systems and new quantum algorithms has greatly increased, which nonunitary operators take an important role in. In this work, we utilize the linear combination of unitaries technique for nonunitary dynamics on a single qubit to give explicit decompositions of the necessary unitaries, and simulate arbitrary time-dependent single-qubit nonunitary operator F(t) using duality quantum algorithm. We find that the successful probability is not only decided by F(t) and the initial state, but also is inversely proportional to the dimensions of the used ancillary Hilbert subspace. In a general case, the simulation can be achieved in both eight- and six-dimensional Hilbert spaces. In phase matching conditions, F(t) can be simulated by only two qubits. We illustrate our method by simulating typical non-Hermitian systems and single-qubit measurements. Our method can be extended to high-dimensional case, such as Abrams–Lloyd’s two-qubit gate. By discussing the practicability, we expect applications and experimental implementations in the near future.
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