量子ゲージ ネットワーク: 新しい種類のテンソル ネットワーク

量子ゲージ ネットワーク: 新しい種類のテンソル ネットワーク

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ケビン・スレーグル

ライス大学、電気およびコンピュータ工学部、ヒューストン、テキサス州 77005 米国
カリフォルニア工科大学物理学科、パサデナ、カリフォルニア 91125、米国
量子情報・物質研究所およびウォルター・バーク理論物理学研究所、カリフォルニア工科大学、パサデナ、カリフォルニア州 91125、米国

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抽象

テンソル ネットワークは低次元の量子物理学をシミュレートするための強力なツールですが、テンソル ネットワーク アルゴリズムは高空間次元では非常に計算コストがかかります。 $textit{量子ゲージ ネットワーク}$ を紹介します。これは、空間次元が大きくなってもシミュレーションの計算コストが明示的に増加しない、別の種類のテンソル ネットワーク アンザッツです。 私たちは量子力学のゲージ図からインスピレーションを得ています。これは、空間の各パッチの局所的な波動関数と、ユニタリ接続によって関連付けられた隣接するパッチで構成されます。 量子ゲージ ネットワーク (QGN) は、局所波動関数のヒルベルト空間次元と接続が切り詰められていることを除いて、同様の構造を持っています。 一般的な波動関数または行列積状態 (MPS) から QGN を取得する方法について説明します。 $M$ の多くの演算子に対する任意の波動関数のすべての $2k$ 点相関関数は、結合次元 $O(M^k)$ を持つ QGN によって正確にエンコードできます。 比較すると、$k=1$ だけの場合、量子ビットの MPS には一般的に $2^{M/6}$ という指数関数的に大きな結合次元が必要です。 あらゆる空間次元での量子力学の近似シミュレーションのためのシンプルな QGN アルゴリズムを提供します。 近似ダイナミクスにより、時間に依存しないハミルトニアンの正確なエネルギー保存を達成でき、空間対称性も正確に維持できます。 フェルミオン ハミルトニアンの量子消光を最大 XNUMX 空間次元でシミュレートすることにより、アルゴリズムのベンチマークを行います。

[埋め込まれたコンテンツ]

多粒子または多量子ビット量子システムのシミュレーションは、粒子または量子ビットの数に応じてヒルベルト空間次元が指数関数的に増加するため、計算負荷が高くなります。 「テンソル ネットワーク」として知られる波動関数解析のクラスは、テンソルのグリッドの縮小を使用して、これらの巨大なヒルベルト空間を効率的にパラメータ化できます。 テンソル ネットワーク アルゴリズムは、XNUMX つの空間次元 (「DMRG」アルゴリズムなど) では顕著な成功を収めていますが、XNUMX つ以上の空間次元では効率が低く、より複雑です。

私たちの研究は、「量子ゲージ ネットワーク」と呼ばれる新しい波動関数解析の研究を開始します。 量子ゲージ ネットワークは XNUMX つの空間次元ではテンソル ネットワークに関連していますが、XNUMX つ以上の空間次元ではアルゴリズムがより単純で、潜在的により効率的であることを示します。 量子ゲージ ネットワークは、「ゲージ ピクチャー」と呼ばれる量子力学の新しいイメージを利用します。これについては、注目の画像で簡単に説明します。 量子ゲージ ネットワークを使用して波動関数の時間発展を近似的にシミュレートする簡単なアルゴリズムを提供します。 最大 XNUMX 空間次元のフェルミオン系でアルゴリズムのベンチマークを行います。 テンソル ネットワークを使用して XNUMX 次元システムをシミュレートするのは非常に困難です。 ただし、量子ゲージ ネットワーク理論をより深く理解し、基底状態最適化アルゴリズムなどのより多くのアルゴリズムを開発するには、さらなる研究が必要です。

►BibTeXデータ

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