SI2-SSE: Entangled Quantum Dynamics in Closed and Open Systems, an Open Source Software Package for Quantum Simulator Development and Exploration of Synthetic Quantum Matter

SI2-SSE:封闭和开放系统中的纠缠量子动力学,用于量子模拟器开发和合成量子物质探索的开源软件包

基本信息

  • 批准号:
    1740130
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 50万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-09-01 至 2022-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

On the way to universal quantum computing, quantum simulators, literally "analog" quantum computers, have already been a huge success and are fulfilling Feynman's original 1982 vision of quantum computing.  Each such simulator requires a dedicated experimental platform, and costs on the order of several million dollars to build.  Such experiments have many interacting parts often requiring a complex rearrangement and months of work in order to perform a specified quantum computation.  A widely accessible and easy to use software tool to shortcut design considerations for quantum simulator experimentalists is much needed.  This project will create such a tool.  Initially, the project researchers will design and release on SourceForge an open source software package centered around 1D matrix product state (MPS) and matrix product density operator (MPDO) methods, for both closed and open quantum systems, which any experimentalist can download and easily use locally to design and benchmark their quantum simulator architecture of choice.  The software elements will include (i) prebuilt generalized Ising, Hubbard, and other models, (ii) multi-legged ladders to extend into quasi-1D, (iii) different time propagation methods for short and long-range interactions, and (iv) supplemental exact diagonalization and quantum trajectory methods.  Secondly, the project members will create an even simpler graphical version via a web interface in collaboration with the Science Gateways Community Institute which allows any experimentalist to run quick simulations and tests on local dedicated high-performance computing resources at the Colorado School of Mines in a secure and user-friendly format.  Finally, the project team will develop a key new software element in terms of a series of increasingly accurate discretization schemes to model continuum quantum simulators and mesoscopic limits, as well as control systematic error in experiments.MPS/MPDO methods enable the treatment of outstanding quantum problems for design of new materials dubbed synthetic quantum matter, push the boundaries of quantum mechanics into strongly correlated physics, where particles and even quasiparticles lose meaning, and allow exploration of totally new realms of entangled dynamics.  The software package proposed here will make these extraordinary capacities accessible to the over 150 quantum simulator experimental groups, as well as the many theoretical/computational groups investigating entangled quantum dynamics, thus greatly speeding up exploration of quantum simulator physics.  The software package will provide a platform for exploring far-from-equilibrium open quantum system dynamical models, an important topic in the theoretical and computational physics community at present due to the new and expanded capacity offered by quantum simulators; and it will provide an educational venue for new graduate students entering research groups and faculty developing courses in computational physics and related areas.  Broader impact activities include integration of computation across the Colorado School of Mines undergraduate physics curriculum as a model for departments across the country to achieve this AAPT/APS goal, e.g. redesigning the mathematical physics course to cover equal parts analytical and computational methods, including specific research skills for summer REUs and internships.  Finally, graduate students will be trained in critical analysis for scientific problem solving and rigorous numerical techniques for high-performance computing, including open source science via a science gateway, an approach key to success in a number of arenas in society, from the materials genome initiative to the space program.This project is supported by the Office of Advanced Cyberinfrastructure in the Directorate for Computer & Information Science and Engineering and the Physics Division, Materials Research Division, and Office of Multidisciplinary Activities in the Directorate of Mathematical and Physical Sciences.
在通往通用量子计算的道路上,量子模拟器,字面上的“模拟”量子计算机,已经取得了巨大的成功,并正在实现费曼1982年最初的量子计算愿景。每个这样的模拟器都需要一个专用的实验平台,这样的实验有许多相互作用的部分,往往需要复杂的重新安排和数月的工作,为了执行指定的量子计算。一个广泛访问和易于使用的软件工具,以简化量子模拟器实验人员的设计考虑是非常需要的。这个项目将创建这样一个工具。最初,项目研究人员将设计并在SourceForge上发布一个开源软件包,围绕一维矩阵乘积态(MPS)和矩阵乘积密度算子(MPDO)方法,对于封闭和开放的量子系统,任何实验者都可以下载并轻松地在本地使用,以设计和基准测试他们选择的量子模拟器架构。软件元素将包括(i)预先构建的广义伊辛,哈伯德和其他模型,(ii)扩展到准一维的多腿梯子,(iii)用于短距离和长距离相互作用的不同时间传播方法,(iv)补充的精确对角化和量子轨道方法。项目成员将与科学网关社区研究所合作,通过网络界面创建一个更简单的图形版本,该版本允许任何实验人员在科罗拉多矿业学院的本地专用高性能计算资源上运行快速模拟和测试,最后,项目团队将开发一个关键的新软件元素,用于一系列越来越精确的离散化方案,以模拟连续量子模拟器和介观极限,以及控制实验中的系统误差。MPS/MPDO方法能够处理被称为合成量子物质的新材料设计中的突出量子问题,将量子力学的边界推向强关联物理,在强关联物理中,粒子甚至准粒子都失去了意义,并允许探索纠缠动力学的全新领域。这里提出的软件包将使超过150个量子模拟器实验组可以使用这些非凡的能力,以及许多研究纠缠量子动力学的理论/计算小组,从而大大加快了量子模拟物理的探索。该软件包将为探索远离平衡的开放量子系统动力学模型提供一个平台,由于量子模拟器提供的新的和扩展的容量,目前理论和计算物理界的一个重要课题;它将为进入研究小组的新研究生和开发计算物理课程的教师提供一个教育场所,相关领域。更广泛的影响活动包括整合整个科罗拉多矿业学院本科物理课程的计算,作为全国各部门实现AAPT/APS目标的模型,例如重新设计数学物理课程以涵盖同等部分分析和计算方法,包括夏季雷乌斯和实习的特定研究技能。最后,研究生将接受科学问题解决的批判性分析和高性能计算的严格数值技术的培训,包括通过科学网关的开源科学,这是在社会许多领域取得成功的关键方法,从材料基因组计划到太空计划。该项目由计算机信息科学与工程局高级网络基础设施办公室和物理部,材料研究部&,和数学和物理科学局多学科活动办公室。

项目成果

期刊论文数量(27)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Dynamics for the Haldane phase in the bilinear-biquadratic model
双线性双二次模型中 Haldane 相的动力学
  • DOI:
    10.1103/physrevb.105.094309
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Dhar, Arya;Jaschke, Daniel;Carr, Lincoln D.
  • 通讯作者:
    Carr, Lincoln D.
Macroscopic quantum tunneling escape of Bose-Einstein condensates
  • DOI:
    10.1103/physreva.96.063601
  • 发表时间:
    2017-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Xinxin Zhao;Diego A. Alcala;M. McLain;K. Maeda;S. Potnis;R. Ramos;Aephraim M. Steinberg;L. Carr
  • 通讯作者:
    Xinxin Zhao;Diego A. Alcala;M. McLain;K. Maeda;S. Potnis;R. Ramos;Aephraim M. Steinberg;L. Carr
Layered chaos in mean-field and quantum many-body dynamics
平均场和量子多体动力学中的分层混沌
  • DOI:
    10.1103/physreva.99.063609
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Valdez, Marc Andrew;Shchedrin, Gavriil;Sols, Fernando;Carr, Lincoln D.
  • 通讯作者:
    Carr, Lincoln D.
Exact analytical solution of the driven qutrit in an open quantum system: V and Λ configurations
开放量子系统中驱动量子体的精确解析解:V 和 α 配置
  • DOI:
    10.1088/1361-6455/ac5efa
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Coleman, Zachary C;Carr, Lincoln D
  • 通讯作者:
    Carr, Lincoln D
Scattering of a dark–bright soliton by an impurity
杂质对暗-亮孤子的散射
  • DOI:
    10.1088/1361-6455/ab2cfb
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Alotaibi, Majed O;Carr, Lincoln D
  • 通讯作者:
    Carr, Lincoln D
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Lincoln Carr其他文献

Accelerating Progress Towards Practical Quantum Advantage: The Quantum Technology Demonstration Project Roadmap
加速实现实用量子优势:量子技术示范项目路线图
  • DOI:
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    P. Alsing;P. Battle;J. Bienfang;Tammie L. Borders;Tina L. Brower;Lincoln Carr;F. Chong;S. Dadras;B. Demarco;I. Deutsch;E. Figueroa;D. Freedman;H. Everitt;Daniel Gauthier;E. Johnston;Jungsang Kim;M. Kira;Prem Kumar;P. Kwiat;J. Lekki;Anjul Loiacono;M. Lončar;J. R. Lowell;M. Lukin;C. Merzbacher;Aaron J. Miller;C. Monroe;J. Pollanen;D. Pappas;M. Raymer;R. Reano;B. Rodenburg;M. Savage;T. Searles;Jieping Ye
  • 通讯作者:
    Jieping Ye
Quantum simulator design and exploration with open source matrix product state codes
使用开源矩阵产品状态代码进行量子模拟器设计和探索
  • DOI:
    10.52843/cassyni.65w4st
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Lincoln Carr
  • 通讯作者:
    Lincoln Carr

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  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 作者:
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Quantum Cellular Automata Dynamics: Integrability, Many-Body Decoherence, and Complex Entanglement
量子元胞自动机动力学:可积性、多体退相干和复杂纠缠
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    2210566
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    2022
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    $ 50万
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  • 批准号:
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    2110432
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 50万
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QLCI-CG:开放量子前沿研究所
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超冷分子的开放系统量子多体纠缠动力学
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    2015
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  • 资助金额:
    $ 50万
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    1207881
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    2012
  • 资助金额:
    $ 50万
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    Standard Grant
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  • 批准号:
    1067973
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    2011
  • 资助金额:
    $ 50万
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    Standard Grant

相似国自然基金

化脓性链球菌分泌性酯酶Sse抑制LC3相关吞噬促其侵袭的机制研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
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    30 万元
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太阳能电池Cu2ZnSn(SSe)4/CdS界面过渡层结构模拟及缺陷态消除研究
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  • 批准年份:
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    60776808
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異常検知手法と大気ノイズ補正を併用したInSAR時系列による未知のSSE検出手法の確立
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Study on defect detection by spatial spectral entropy (SSE) and healthy part evaluation for noncontact acoustic inspection
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    2019
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    $ 50万
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Numerical simulations of earthquake and SSE triggering by dynamic stress changes
动态应力变化引发地震和SSE的数值模拟
  • 批准号:
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    2018
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    1740218
  • 财政年份:
    2018
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  • 批准号:
    1912444
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 50万
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  • 批准号:
    1739423
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: SI2-SSE: WRENCH: A Simulation Workbench for Scientific Worflow Users, Developers, and Researchers
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  • 批准号:
    1642369
  • 财政年份:
    2017
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
SI2-SSE: Highly Efficient and Scalable Software for Coarse-Grained Molecular Dynamics
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  • 批准号:
    1740211
  • 财政年份:
    2017
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
SI2-SSE: Collaborative Research: Integrated Tools for DNA Nanostructure Design and Simulation
SI2-SSE:合作研究:DNA 纳米结构设计和模拟的集成工具
  • 批准号:
    1740212
  • 财政年份:
    2017
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
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知道了