超越交换性:基于局域对称性重新设计 Trotter 分解

乘积公式,通常称为Trotter分解,是数字量子模拟的核心工具,其性能关键取决于哈密顿量如何被划分为易于处理的区块。标准的分解方法通常依赖于所选算子表示中哈密顿项之间的直接对易性,这可能导致对于复杂且具有实际意义的多体量子系统产生较大的残余误差和深度电路。为了应对这一根本性瓶颈,本文引入了一种超越对易性的新分解原理,即根据局域动力学背后的SU(2)对称性,将哈密顿项分组为局域三格点簇。该研究证明,三格点生成元最多属于四类SU(2)对称性类,每一类都允许一个有效的两量子比特SU(4)表示,并具有精确高效的实现方式。通过减少簇的数量,这一分解原理显著抑制了对易子引起的误差和电路开销,同时保留了基于对易性的分解可能破坏的底层物理结构。研究人员在几个物理相关的自旋晶格模型上演示了所提出的方法,其中,缩减的簇结构甚至可以无需将电路深度加倍即可实现二阶乘积公式,而传统的分解方法则需要加倍。对具有三角自旋手性相互作用的Kagome海森堡模型的数值模拟表明,与传统的分解方法相比,所提出的方法将状态不保真度和平均自旋手性偏差降低了三个数量级以上,同时使用的量子门数量也大幅减少。这些结果确立了局域对称性作为乘积公式模拟的一种灵活且实用的设计原理,为更精确、更硬件高效地模拟更广泛的多体系统开辟了道路。
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提交arXiv: 2026-05-15 14:50

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