Exact Non-Markovian Quantum Dynamics on the NISQ Device Using Kraus Operators
Exact Non-Markovian Quantum Dynamics on the NISQ Device Using Kraus Operators
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使用 Kraus 算子在 NISQ 设备上实现精确的非马尔可夫量子动力学
DOI：
10.1021/acsomega.3c09720
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发表时间：
2024
期刊：
影响因子：
4.1
通讯作者：
Wang, Fei
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Seneviratne, Avin;Walters, Peter L.;Wang, Fei
开放量子系统的理论有许多应用，从模拟凝聚相中的量子动力学到更好地理解量子技术。理论化学的中心是模拟溶液、生物分子和分子聚集体中电荷和激发能量转移的方法和计算工具的发展。由于各种这些过程显示非马尔可夫行为，经典的计算机模拟可能是具有挑战性的，由于指数缩放与现有的方法。由于量子计算机有望进行高效的量子模拟，因此在本文中，我们提出了一种基于克劳斯算子的新量子算法，可以在有限温度下捕获精确的非马尔科夫效应。在量子机器上实现Kraus算子使用奇异值分解（SVD）和最佳沃尔什算子的组合，从而产生浅电路。通过对Fenna-Matthews-Olson（FMO）复合体中自旋玻色子动力学和激子转移的模拟，证明了该算法的可行性。NISQ的结果显示出非常好的协议与精确的。
The theory of open quantum systems has many applications ranging from simulating quantum dynamics in condensed phases to better understanding quantum-enabled technologies. At the center of theoretical chemistry are the developments of methodologies and computational tools for simulating charge and excitation energy transfer in solutions, biomolecules, and molecular aggregates. As a variety of these processes display non-Markovian behavior, classical computer simulation can be challenging due to exponential scaling with existing methods. With quantum computers holding the promise of efficient quantum simulations, in this paper, we present a new quantum algorithm based on Kraus operators that capture the exact non-Markovian effect at a finite temperature. The implementation of the Kraus operators on the quantum machine uses a combination of singular value decomposition (SVD) and optimal Walsh operators that result in shallow circuits. We demonstrate the feasibility of the algorithm by simulating the spin-boson dynamics and the exciton transfer in the Fenna–Matthews–Olson (FMO) complex. The NISQ results show very good agreement with the exact ones.
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