量子动力学系统的量子计算模拟及其特性研究

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量子系统具有丰富多样的动力学特性,这些特性直接影响到量子态的演化过程,因此量子系统的动力学特性研究已成为量子调控、量子计算、量子传感技术等领域的重要研究内容之一。但是对于许多量子系统来说,直接求解系统波函数满足的薛定谔方程是非常困难的。为了研究量子动力学系统的演化规律,计算模拟成为不可或缺的一种手段,而其中利用量子计算机来模拟量子动力学系统则更加快速有效。通用量子计算硬件在近几年得到了迅速发展,但是以此为基础的量子仿真仍旧停留在抽象的算法设计层面,缺乏相应的量子线路的支撑。本文针对HHL量子算法、量子面包师映射以及周期驱动的量子Harper(Quantum Kicked Harper,QKH)模型,利用IBM的量子计算硬件平台,分别设计了HHL量子算法的普适量子线路、量子面包师映射和QKH模型的量子线路,并在qiskit平台上进行了仿真模拟。主要完成了以下几部分的工作:(1)HHL量子算法的量子线路设计。结合求解线性方程组HHL量子算法的原理,使用通用量子门自顶而下地设计了算法的关键模块,包括酉矩阵的通用量子门分解模块、量子相位估计模块、量子全加器与乘法器模块、量子态条件旋转变换模块等,从而实现了求解线性方程组的普适量子线路。利用IBM qiskit量子计算开发平台进行的量子仿真实验表明,所设计的HHL量子线路能够求解一般形式的线性方程组,且易于扩展为中大规模的量子线路。(2)量子面包师变换模型的量子线路设计及其特性分析。以量子傅里叶变换及其逆变换为基础,设计了量子面包师变换的量子线路。研究了不同量子比特下量子面包师变换Floquet算符的本征值统计分布,并与高维随机矩阵的谱统计进行了比较。使用8个量子比特进行的量子仿真表明,量子面包师变换的量子态存在动态局域化现象。(3)周期驱动的Haper模型的量子线路设计及其特性分析。基于量子傅里叶变换以及一种短时间片分解算法,设计了周期驱动量子Harper模型的量子线路。使用开源量子计算云平台,求取了QKH模型的Floquet算符。研究了QKH模型分别对应于经典可积和经典混沌系统时,其准能量统计分布与随机矩阵理论预测分布之间的一致性。本征值的统计分布以及本征态的局域化分析结果表明,所设计的QKH量子线路能够正确地刻画QKH模型的动力学特性。本文针对几种典型量子算法设计相应的量子线路,将量子动力学系统的仿真模拟从抽象的算法层面,进一步转化为可以在量子计算硬件平台上进行的仿真与测试,这将更好的推动量子动力学系统的实验研究以及中大规模量子线路的自动设计。
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