從量子電腦計算散射相移

核心概念

本文展示了如何使用量子電腦，結合變分量子求解器（VQE）、量子子空間展開和有限體積方法，計算核子-核子散射相移，並探討了噪聲對計算的影響。

摘要

量子電腦計算散射相移

論文資訊

Sharma, S., Papenbrock, T., & Platter, L. (2024). Scattering phase shifts from a quantum computer. arXiv preprint arXiv:2311.09298v2.

研究目標

本研究旨在探討利用量子電腦計算核子-核子散射相移的可行性。

方法

• 使用領先階短程有效場論哈密頓量描述核子-核子交互作用。
• 結合變分量子求解器（VQE）和量子子空間展開方法計算哈密頓量的激發態能譜。
• 採用有限體積方法將有限諧振子基態的能量本徵值與散射相移聯繫起來。
• 在 IBMQ 量子電腦上進行模擬和實際硬體實驗，並探討噪聲對計算結果的影響。

主要發現

• 對於量子位元數較少的系統（例如三個量子位元），量子電腦計算得到的散射相移與解析結果非常吻合。
• 隨著量子位元數的增加，噪聲的影響變得顯著，五個量子位元的計算結果已出現明顯偏差。
• 研究發現，若要使用更多量子位元進行精確計算，需要將讀出錯誤和單、雙量子位元閘錯誤降低一個數量級。

主要結論

• 本研究證明了利用量子電腦計算核子-核子散射相移的可行性，特別是在量子位元數較少的情況下。
• 噪聲是目前限制量子電腦進行更大規模散射計算的主要因素，需要開發更有效的噪聲抑制技術。

研究意義

• 推動了量子計算在核物理领域的應用，為未來更精確的核結構和反應計算提供了新的途徑。
• 為量子演算法和噪聲抑制技術的發展提供了重要的實驗數據和參考。

局限性和未來研究方向

• 目前量子電腦的量子位元數和保真度仍然有限，限制了可計算的系統規模和精度。
• 未來需要進一步研究更有效的噪聲抑制技術，例如理查森外推法或隨機編譯，以提高計算精度。
• 可以探索將該方法應用於更複雜的核系統和反應過程，例如三體散射或非彈性散射。

統計資料

使用了 3、4 和 5 個量子位元的系統進行模擬。
諧振子頻率 ℏω 分別設定為 5、6、7、8、9、10 MeV。
相應的動量截止值 Λ 分別為 128、140、152、162、172、181 MeV。
研究發現，當量子位元數超過 5 個時，量子計算的準確性會顯著下降。
為了在超過 6 個量子位元的系統上進行準確的量子計算，需要將噪聲降低一個數量級。

引述

"With current hardware, up to five superconducting qubits can produce acceptable results, and larger calculations will require a significant noise reduction."
"Our study of this problem revealed that an order-of-magnitude reduction in readout errors and one- and two-qubit gate errors is necessary for accurate quantum computations with significantly more qubits."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Scattering phase shifts from a quantum computer

by Sanket Sharm... 於 arxiv.org 11-21-2024

https://arxiv.org/pdf/2311.09298.pdf

深入探究

除了核子-核子散射，這種量子計算方法還能應用於哪些其他物理系統的散射計算？

除了核子-核子散射，這種結合了變分量子本徵求解器（VQE）、量子子空間展開和有限體積方法的量子計算方法，原則上可以應用於其他可以被有效場論描述的物理系統的散射計算。這些系統需要滿足以下條件：

短程相互作用： 該方法適用於短程相互作用主導的系統，因為它使用了短程有效場論哈密頓量。
低能散射： 該方法適用於低能散射，因為有效場論本身就是低能展開。
有限的希爾伯特空間： 該方法需要將連續的散射態離散化到有限的希爾伯特空間中，因此適用於可以用有限個量子比特表示的系統。
基於以上條件，以下是一些潛在的應用場景：

冷原子系統： 冷原子系統中的原子-原子散射可以用短程有效場論描述，並且可以用有限個諧振子基態來模擬。
凝聚態物理： 某些凝聚態物理系統中的準粒子激發可以用有效場論描述，例如，超導體中的庫珀對。
量子化學： 對於小分子系統，可以利用量子計算方法計算分子散射過程，例如化學反應中的分子碰撞。
需要注意的是，對於不同的物理系統，需要根據具體情況調整量子計算方法的細節，例如選擇合適的有效場論哈密頓量、量子比特映射方式和量子門操作等。

如果量子電腦的噪聲水平無法顯著降低，是否有其他替代方案或改進策略可以提高計算精度？

如果量子電腦的噪聲水平無法在短期內顯著降低，可以考慮以下替代方案或改進策略來提高散射計算精度：

混合量子-經典計算方法： 可以開發更先進的混合量子-經典計算方法，例如，將量子計算與蒙特卡洛方法或張量網絡方法相結合，以充分利用經典計算資源和量子計算的優勢。
量子誤差抑制技術： 可以應用量子誤差抑制技術，例如，量子誤差校正碼和去相干技術，來減輕噪聲對計算結果的影響。
量子模擬器： 可以使用經典計算機模擬量子計算機，例如，使用矩陣乘積態方法或量子蒙特卡洛方法，來研究噪聲對計算結果的影響，並測試不同的噪聲抑制策略。
改進量子算法： 可以設計對噪聲更魯棒的量子算法，例如，使用變分量子本徵求解器的變體或開發新的量子算法。
選擇合適的量子硬件： 可以選擇噪聲水平較低的量子硬件平台，例如，离子阱量子计算机或中性原子量子计算机。
此外，還可以通過以下方式提高計算精度：

優化量子比特映射： 選擇合適的量子比特映射方式，可以減少量子門操作的數量，从而降低噪声的影响。
优化量子线路： 通过优化量子线路，可以减少量子门的数量和深度，从而降低噪声的影响。
总而言之，尽管量子噪声是量子计算发展面临的重大挑战，但通过结合多种方法和策略，我们可以逐步提高量子计算的精度，使其能够在核物理和其他领域发挥更大的作用。

量子計算技術的發展將如何影響我們對核力的理解以及核物理領域的未來發展？

量子計算技術的發展預計將對我們對核力的理解以及核物理領域的未來發展產生深遠的影響：
1. 更精確的核力計算：

目前，描述原子核的第一性原理計算由於計算量巨大，只能處理較輕的原子核。量子計算可以提供指數級別的計算加速，使得我們能夠對更重的原子核進行更精確的模擬，從而更深入地理解核力的本质。
量子計算可以幫助我們更準確地計算核物質的狀態方程，這對於理解中子星等極端天體的性質至關重要。
2. 新的核物理模型和理論：

量子計算可以幫助我們探索新的核物理模型和理論，例如，基於量子色动力学的核力模型。
量子計算可以模擬強耦合體系的動力學演化，這對於理解核反應和核結構的形成至關重要。
3. 核物理實驗的新工具：

量子計算可以作為核物理實驗的新工具，例如，用於設計更高效的粒子探測器和加速器。
量子計算可以幫助我們分析和解釋實驗數據，提取更精確的物理信息。
4. 核技術的新應用：

量子計算可以促進核技術的新應用，例如，開發更安全的核反應堆和更有效的核廢料處理方法。
量子計算可以幫助我們設計新的放射性同位素，用於醫學成像和癌症治療。
总而言之，量子計算技術的發展将为核物理领域带来前所未有的机遇，推动我们对核力的理解和核技术应用迈向新的高度。