长程系统量子模拟的资源扩展研究

该研究团队采用混合量子算法——变分量子本征求解器(VQE),对一维长程扩展伊辛模型进行模拟。在量子模拟过程中,研究人员系统考察了量子资源需求随系统尺寸与相互作用强度的标度关系。通过模仿哈密顿量中的弦算子,研究构建了三种结构敏感的试探波函数:最近邻(NN)、次近邻(NNN)和次次近邻(NNNN)纠缠模块。研究结果表明,单独依靠能量保真度并不能有效定位该模型的基态。为此,团队引入基于两体对数负性的附加判据,作为VQE算法寻找真实基态的更可靠方法。 研究发现,决定试探波函数最小层数需求的核心参数是相互作用范围α,而非体系与量子临界点的接近程度。特别是在非局域区域(α≤1),相较于NN结构,NNN和NNNN试探波函数能将层数标度率分别降低2.5倍和3.8倍,该优势在包括临界点在内的所有物相中均成立。模拟所需的双量子比特门总数随系统尺寸呈二次增长,这与哈密顿量中非局域项数量随尺寸的二次增长理论预测一致。然而在局域区域,所需双量子比特门数量仅呈线性增长;而在准局域区域,量子模拟对双量子比特门的需求呈现更复杂的特性,其标度行为取决于哈密顿量的具体物相。
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提交arXiv: 2026-04-20 16:44

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