MLMC-qDRIFT: 随机量子哈密顿量模拟的多层方差缩减技术

模拟量子动力学是量子计算的核心应用之一。对于由多项之和构成的哈密顿量,确定性Trotter–Suzuki乘积公式在每个时间步长可能需要应用大量项演化,导致大规模或稠密系统的电路成本高昂。qDRIFT等随机方法提供了一种替代方案:每个步骤仅采样一个哈密顿量项,电路深度不显式依赖于项数。然而,当使用qDRIFT进行可观测量估计时,高精度需要大量独立的随机电路实现,导致总门复杂度为𝒪(ε⁻³)。 该工作提出了一种用于qDRIFT的多层级蒙特卡洛框架,可降低这种采样开销。该方法构建了一个随电路深度增加的qDRIFT估计器层级,并通过共享随机哈密顿量项采样来耦合相邻层级。这种耦合使得层级差异的方差随深度衰减,从而允许大多数采样在便宜的粗粒度电路上进行,仅在昂贵的细粒度电路上执行少量采样。该团队证明,所提出的MLMC-qDRIFT估计器将固定精度可观测量估计的总门复杂度从标准qDRIFT的𝒪(ε⁻³)降低到𝒪(ε⁻² log²(1/ε)),同时保留了qDRIFT不显式依赖哈密顿量项数的特性。自旋链动力学的数值实验验证了预测的方差衰减,并展示了多层级构造在实际电路门数节省方面的优势。
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提交arXiv: 2026-04-29 16:32

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