从协方差矩阵计算费米子非高斯性的可计算度量

费米子非高斯性,或称费米子魔力,是支撑费米子量子系统计算复杂性的关键资源,然而,对其的量化依然缺乏既易于处理又在操作上有意义的方法。该研究通过发展费米子非高斯性的凸资源理论,并引入两个适用于纯费米子态的可计算度量族,来应对这一挑战,这两个度量族均源自协方差矩阵的威廉森规范型。第一个度量族,即占据数熵,定义为占据数的Tsallis-\(α\)熵。该研究证明,该族中的一个成员在高斯协议下是单调的,从而确立其为一个可计算的凸资源单调量。它因此为态制备所需的非高斯门数量提供了一个下界。第二个度量族,即自然轨道参与熵,由态在自然轨道基(由协方差矩阵的特征向量定义)上振幅平方的Rényi-\(α\)熵给出。这些度量量化了该基下态的可压缩性,从而为正交归一高斯基下的经典模拟代价提供了一个上界。该研究分析了这两种度量族在稳定子态和平移不变态下的情形,在此情形下它们得以简化并揭示出额外结构。进一步地,研究了代表性实例,包括随机SWAP掺杂的匹配门电路和键调制XXZ模型,突显了非高斯性在多体现象中的作用。该工作建立了一个可计算的费米子非高斯性的资源理论框架,统一了量子信息、凝聚态物理和量子化学等领域中的相关概念,为研究量子多体系统的复杂性开辟了新方向,并提供了评估与量子优势相关的费米子态经典可模拟性的实用工具。
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提交arXiv: 2026-07-02 14:38

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