研究人员通过改进量子比特映射模拟费米子

利用量子计算机模拟复杂材料的一项新方法现已发布，该研究由 Mumbai 的 Tata Institute of Fundamental Research 及其在 Southampton 和 Wuhan 的同事共同完成。该方法利用了 Derby-Klassen (DK) mapping，这是一种保留费米子之间相互作用的技术，允许通过变分 quantum simulation 在二维模型中准确再现低能特性。这种新的计算技术通过在量子计算机中更有效地表示电子相互作用，改进了材料模拟。

与早期方法相比，该方法降低了对计算能力的要求，使科学家能够利用当前技术对更大、更复杂的系统进行建模。通过解决将这些相互作用转化为 qubits（量子信息的基本单位）时的局限性，这一进展代表了在材料科学中利用量子计算机的进步。Mumbai 的 Tata Institute of Fundamental Research 的研究人员与来自 Southampton 和 Wuhan 的同事正在共同应对材料科学的一个核心挑战：准确模拟复杂系统。

由于随着系统规模的增加，计算需求呈指数级增长，经典计算机难以应对；然而，量子计算机通过自然地表示多体相互作用提供了一个潜在的解决方案。一个关键障碍在于将电子行为转化为量子计算机可理解的指令，这类似于在转换过程中使用一个保留元素间自然关系的翻译密钥。

该团队的新方法采用了 Derby-Klassen (DK) mapping，可以在 qubits 中高效地表示电子，同时最大限度地减少对计算能力的需求。这一进展使得对材料特性的建模比以前更加详细，但也提出了关于如何平衡量子比特需求与降低复杂性，以及这种权衡是否能实现真正可扩展模拟的问题。

Derby, Klassen 变换降低了模拟强关联材料的量子比特需求

通过利用 Derby-Klassen (DK) 方法，Southampton 和 Central China Normal University 的科学家们实现了算子非局域性的降低，这与传统的 Jordan, Wigner 变换形成了对比；这代表了对以前限制模拟的日益增长的 Pauli strings 的改进。这一进展克服了一个关键障碍，该障碍曾阻碍在没有粒子-空穴对称性的二维 t-V 和 Fermi-Hubbard 模型中准确再现低能特性。以前的方法难以应对棘手的电路复杂性。

根据他们的研究结果，在较大的系统中，DK 方法所需的量子比特数量不到费米子模式数量的大约 1.5 倍，这与产生冗长的 Pauli 算符序列（量子计算的基本单位）从而增加电路复杂性的传统 Jordan, Wigner 变换形成了显著对比。他们成功地将定义有效物理状态的约束直接纳入了 Hamiltonian Variational Ansätz，这是 Variational Quantum Eigensolver 技术中用于准确再现复杂材料模型低能特性的一种特定形式。利用粒子数守恒允许同时可靠地访问多个简并态；这提高了整个计算过程的准确性和效率。