科罗拉多州量子计算公司Quantinuum的Eli Chertkov和他的同事仅仅使用了离子阱量子处理器的3到11个量子比特模拟了无限长的、纠缠的类电子粒子链的演变，实现了对全息动力学的基准测试。该方法重复利用量子比特，用量子张量网络态，一类有效压缩量子数据的态，用少量的量子比特模拟无限长的、纠缠的初始态的演变。相关结果表明，张量网络方法与最先进的量子处理器能力相搭配，有望在近期提供一条可行的实现量子计算优势的途径。该研究成果于8月4日发表在《自然•物理学》杂志上。
模拟相互作用量子系统的动力学是量子科学中的一个基础问题，是计算材料和微电子器件的电子和光学特性、预测化学反应动力学，甚至揭示早期宇宙发展的基础。量子动力学的早期探索已经对热力学和量子混沌（及其替代方案）的量子基础产生了基本的见解，并揭示了量子多体纠缠结构中引人注目的普遍行为和临界现象。然而，用经典计算机模拟量子动力学也是一个众所周知的难题，通常需要在模拟系统的大小或演化时间上按指数缩放资源。一段时间以来，人们已经知道，量子计算机只能通过多项式缩放资源（量子比特数和电路深度）来模拟量子动力学。因此，量子动力学模拟被广泛认为是首次实现实际量子优势的可能候选方案。最近，基于量子张量网络方法的各种量子模拟算法已经被开发出来，当模拟具有小于最大纠缠度的系统时，可以节省大量资源，模拟系统的量子自由度远高于直接映射到硬件中可用的量子比特数。这样的算法可能会在复杂化学反应和材料的大规模模拟中打开量子优势之路。
在这项工作中，Chertkov等人使用Quantinum的离子阱量子处理器来实现张量网络启发的全息量子动力学模拟（holoQUADS）算法的第一次实验演示，用它来模拟在混沌量子动力学下演化的初始纠缠无限大自旋系统。使用传统的哈密顿模拟技术，模拟一个大小为L的系统的动态需要O(L)个量子比特，而可实现的模拟时间t受到门的保真度的限制。通过改变涉及空间（量子比特数）和时间（电路深度）的资源比例，holoQUADS能够在独立于L的可用量子比特数设定的时间t内实现任意大系统的时间演化，从而允许研究物理学家感兴趣的接近“热力学”极限（L→∞）的大系统。此外，holoQUADS利用了从初始相关态开始的动力学的紧凑表示，例如多体哈密顿的低能态，只需要（大约）在初始态下每单位的两粒子纠缠增加一个量子比特。这些初始相关态可以通过经典模拟或者使用现有的量子算法分析确定。实验结果表明，量子器件的保真度和中间电路测量以及量子位重用能力使量子张量网络方法能够对大规模多体系统进行精确的量子动力学模拟。
纽约Flatiron研究所的Miles Stoudenmire说，新算法的下一个测试将是用来模拟经典计算机无法处理的系统，例如二维材料中的粒子，而不仅仅是一维的粒子。例如，了解这些材料中的电子随时间的变化可以帮助开发更高效的电子设备。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01689-7
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