Нули функции распределения — это кратчайший путь к термодинамическим расчетам на квантовых компьютерах

«Мы проиллюстрировали новый способ получить термодинамические свойства системы, такие как свободная энергия, энтропия и другие свойства, которые в настоящее время слишком сложны, чтобы их можно было измерить с помощью традиционных или квантовых вычислений», — говорит Лекс Кемпер, доцент физики. в штате Северная Каролина и автор-корреспондент документа с описанием работы.

«Вычисляя нули статистической суммы, мы находимся на пути к решению проблемы масштабирования до большего числа кубитов при попытке вычислить свободную энергию и энтропию в данной системе».

Квантовые компьютеры часто используются для изучения сложных систем из-за их способности обрабатывать большие вычисления, недоступные для обычных компьютеров. Однако некоторые проблемы, такие как измерение термодинамики или свободной энергии в системе (что включает в себя вычисление ее энтропии), все еще слишком велики, чтобы даже эти компьютеры могли с ними справиться эффективно.

Статистическая сумма описывает статистические свойства системы в термодинамическом равновесии. Полная энергия, свободная энергия, энтропия или давление системы могут быть математически выражены через статистическую сумму или ее производные.

Кемпер и его коллеги использовали квантовый компьютер для измерения нулей статистической суммы, а не энтропии спиновой модели, когда она настраивается на фазовый переход.

«Наш метод пропускает ту часть, где мы вычисляем энтропию, в пользу рассмотрения статистической суммы», — говорит Кемпер.

«Это потому, что статистическая сумма является производящей функцией — функцией, с которой вы можете выполнять операции, чтобы получить другую термодинамическую информацию, такую ​​как внутренняя энергия и энтропия.

«Мы измеряем статистическую сумму, определяя, где она равна нулю. Как только вы знаете все нули функции, вы знаете всю функцию. Поскольку нули лежат в комплексной плоскости, мы использовали сопоставление между наличием комплексного магнитного поля и эволюцией во времени, чтобы найти их ».

Исследователи рассчитали статистическую сумму как на стандартном, так и на квантовом компьютере с захваченными ионами в лаборатории Норберта Линке в Университете Мэриленда. Результаты обоих сравнивались положительно.

«Это способ использовать квантовый компьютер для получения всех термодинамических свойств системы без необходимости проведения огромного количества квантовых вычислений», — говорит Кемпер.