Esperimento su scala di utilità II
Yukio Kawashima (12 luglio 2024)
Scarica il PDF della lezione originale. Nota che alcuni frammenti di codice potrebbero essere deprecati, poiché si tratta di immagini statiche.
Il tempo QPU approssimativo per eseguire questo esperimento è 2 m 30 s.
(Nota che questo notebook ha utilizzato testi, illustrazioni e codice da un notebook tutorial ora deprecato per Qiskit Algorithms.)
1. Introduzione e ripasso dell'evoluzione temporale
Questo notebook segue i metodi e le tecniche della lezione 7. Il nostro obiettivo è risolvere numericamente l'equazione di Schrödinger dipendente dal tempo. Come discusso nella lezione 7, la Trotterizzazione consiste nell'applicazione successiva di un gate quantistico o di più gate, scelti per approssimare l'evoluzione temporale di un sistema per una fetta di tempo. Ripetiamo qui quella discussione per comodità. Sentiti libero di saltare alle celle di codice qui sotto se hai rivisto di recente la lezione 7.
Partendo dall'equazione di Schrödinger, l'evoluzione temporale di un sistema inizialmente nello stato assume la forma:
dove è l'Hamiltoniano indipendente dal tempo che governa il sistema. Consideriamo un Hamiltoniano che può essere scritto come somma pesata di termini di Pauli , con che rappresenta un prodotto tensoriale di termini di Pauli che agiscono su qubit. In particolare, questi termini di Pauli potrebbero commutare tra loro, oppure no. Dato uno stato al tempo , come ottenere lo stato del sistema a un tempo successivo usando un computer quantistico? L'esponenziale di un operatore può essere compreso più facilmente attraverso la sua serie di Taylor:
Alcuni esponenziali molto basilari, come , possono essere implementati facilmente su computer quantistici usando un insieme compatto di gate quantistici. La maggior parte degli Hamiltoniani di interesse non avrà un singolo termine, ma ne avrà molti. Nota cosa succede se :
Quando e commutano, abbiamo il caso familiare (valido anche per i numeri e le variabili e di seguito):
Ma quando gli operatori non commutano, i termini non possono essere riordinati nella serie di Taylor per semplificarsi in questo modo. Pertanto, esprimere Hamiltoniani complessi in gate quantistici è una sfida.
Una soluzione è considerare un tempo molto piccolo , tale che il termine del primo ordine nell'espansione di Taylor domini. Sotto tale ipotesi:
Naturalmente, potremmo dover far evolvere il nostro stato per un tempo più lungo. Ciò si ottiene usando molti piccoli passi temporali. Questo processo è chiamato Trotterizzazione:
Qui è la fetta temporale (passo di evoluzione) che stiamo scegliendo. Di conseguenza, si crea un gate da applicare volte. Un passo temporale più piccolo porta a un'approssimazione più accurata. Tuttavia, questo porta anche a circuiti più profondi che, in pratica, comportano una maggiore accumulazione di errori (una preoccupazione non trascurabile sui dispositivi quantistici a breve termine).
Oggi studieremo l'evoluzione temporale del modello di Ising su reticoli lineari di e siti. Questi reticoli sono costituiti da un array di spin che interagiscono solo con i loro vicini più prossimi. Questi spin possono avere due orientazioni: e , che corrispondono rispettivamente a una magnetizzazione di e .
dove descrive l'energia di interazione e l'intensità di un campo esterno (nella direzione x sopra, ma modificheremo questo). Scriviamo questa espressione usando le matrici di Pauli, e considerando che il campo esterno forma un angolo rispetto alla direzione trasversale,