物理前沿科学研究院在量子模拟领域取得重要进展

近期, 华南师范大学物理前沿科学研究院、物理与电信工程学院、粤港量子物质联合实验室的量子计算研究团队在有限温度量子系统的量子模拟的研究上取得重要进展, 该研究成果以“Continuous-Variable Assisted Thermal Quantum Simulation”为题，于7月8日发表在物理学国际顶尖期刊《Physical Review Letters》上。文章链接https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.020502。

在1980年代，费曼指出用经典计算机模拟量子系统的本质困难，并提出量子计算机的解决途径。最近二三十年来，随着量子计算机硬件的发展，量子系统的模拟取得了飞速的进展。然而，这些进展主要集中于零温量子系统的模拟。对于更普遍的有限温度量子系统的模拟，在当前依然是一个极具挑战的问题。这是因为在量子计算机上制备的量子态本身是纯态，而有限温度量子系统的平衡态是某种特殊的混合态，即量子热态。在量子计算机上，原则上可以制备纯态然后取子系统来获得量子热态。然而当前的量子算法要么需要复杂的量子线路，难以在近期量子计算机上运行；要么依赖于变分算法，需要针对每个量子系统特别设计，从而缺乏应用的普遍性。如何设计普遍适用于近期量子计算机的量子算法，是当前亟需解决的重要问题。 该工作提出了采用单个连续变量作为辅助来模拟有限温度量子系统的量子算法，特别利用了连续变量的无限维空间在信息高密度编码和高效信息处理上优势。 数值模拟表明该算法能够通过较少的量子比特数来模拟量子临界区域重要的温度转变。该算法框架为量子算法的设计提供了一种新的途径，同时启发当前主流的基于量子比特的量子平台在未来的量子计算机上整合单个连续模，从而更全面和高效地发挥量子优势。

华南师范大学新引进的青年拔尖人才张旦波副教授为第一作者，华南师范大学朱诗亮教授，华南师范大学特聘访问教授、香港大学汪子丹教授为共同通讯作者, 物电学院博士后张国清及薛正远研究员参与了该工作。该研究得到了国家自然科学基金、广东省重点领域研究计划、广东省自然科学基金、广州市重点研发计划等经费的支持。