WiMi entwickelt holographische Quantenalgorithmus-Technologie zur effizienten Simulation verwandter Spin-Systeme
Veröffentlicht
19. Februar 2025 11:50 Uhr EST
PEKING, 19. Februar 2025 /PRNewswire/ -- WiMi Hologram Cloud Inc. (NASDAQ: WiMi) ("WiMi" oder das "Unternehmen"), ein weltweit führender Anbieter von Hologramm-Augmented-Reality-Technologie ("AR"), gab heute die Entwicklung eines innovativen "holografischen" Quantenalgorithmus zur Simulation hochkorrelierter Spin-Systeme bekannt. Diese Technologie ermöglicht eine effiziente Grundzustandsvorbereitung und dynamische Evolution, während der Bedarf an Quantenbitressourcen erheblich reduziert wird.
Der Grundzustand und die dynamische Entwicklung von Spinsystemen sind Kerngebiete der Forschung in der Quantenphysik und den Materialwissenschaften. Die Simulation hochverschränkter Quantenzustände erfordert jedoch oft eine große Anzahl von Quantenbitressourcen. Insbesondere für zweidimensionale und dreidimensionale Systeme erfordern traditionelle Quantensimulationsmethoden eine exponentiell wachsende Anzahl von Quantenbits, was eine erhebliche Herausforderung für die bestehende Quantencomputer-Hardware darstellt. Wie diese komplexen Systeme unter der Beschränkung einer begrenzten Anzahl von Quantenbits effektiv simuliert werden können, ist zu einem drängenden Problem im Bereich des Quantencomputings geworden.
Der von WiMi entwickelte holographische Quantenalgorithmus basiert auf der Äquivalenz zwischen Matrix-Produktzuständen (MPS) und Quantenkanälen. Durch partielle Messungen und Techniken zur Wiederverwendung von Quantenbits wird die Anzahl der benötigten Quantenbits erheblich reduziert. Dieser Algorithmus enthält die folgenden wichtigen Innovationen:
Strategie zur Wiederverwendung von Quantenbits: Durch die Verwendung der kompakten Darstellung von Matrix-Produktzuständen (MPS) wird das D-dimensionale Spinsystem auf eine Quantencomputerarchitektur abgebildet, die nur eine Teilmenge von (D-1) Quantenbits und ein zusätzliches Quantenbitregister benötigt. Dieser Ansatz stellt sicher, dass die Anzahl der benötigten Quantenbits logarithmisch mit der Zunahme der Verschränkung des simulierten Zustands wächst und nicht nichtlinear oder exponentiell wächst.
Holographic Variational Quantum Eigensolver (holoVQE): Die holographische Variationsmethode präpariert den Grundzustand des Systems direkt aus der bekannten MPS-Darstellung oder nutzt holoVQE, um die Grundzustandsenergie zu optimieren. Diese Methode kombiniert die Vorteile des Quantencomputings und der klassischen Optimierung und ermöglicht so eine präzise Bestimmung der Grundzustandsenergie für unendlich-kettige Systeme.
Effiziente Implementierung der Zeitevolution: Durch die Einführung von zusätzlichem Overhead im Quantenkanal kann der Algorithmus die MPS-Dynamik unter der Wirkung eines lokalen Hamilton-Operators innerhalb der Zeit t simulieren. Dieser Mechanismus bietet ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung der Thermalisierungsdynamik mit schnellem Verschränkungswachstum.
Ressourceneffizienz und Hardware-Implementierung: Bei der Implementierung auf realer Hardware benötigt der holografische Quantenalgorithmus nur eine minimale Anzahl von Quantenbits, um komplexe Systeme mit exponentiell großen Bindungsdimensionen zu simulieren. Konkret auf Ionenfallen-Quantencomputern simulierte WiMi erfolgreich die antiferromagnetische Heisenberg-Kette und erreichte eine präzise Berechnung der Grundzustandsenergie der unendlichen Kette mit nur zwei Paaren von Quantenbits.
Die Technologie von WiMi nutzt die Äquivalenz zwischen Matrix-Produktzuständen (MPS) und Quantenkanälen. MPS ist eine klassische Methode zur kompakten Darstellung hochverschränkter Quantenzustände durch Zerlegung eines globalen Quantenzustands in eine Reihe von niedrigwertigen Tensorprodukten. Der holographische Quantenalgorithmus nutzt diese Eigenschaft, indem er das Simulationsziel in eine Reihe von lokalen Operationen zerlegt, wodurch die erforderliche Anzahl von Quantenbits proportional zum Logarithmus der Verschränkungsentropie wird.
Bei Teilmessungen und der Wiederverwendung von Quantenbits geht es unter anderem um die Durchführung von Teilmessungen an Subsystemen und die Wiederverwendung der gemessenen Quantenbits. Dieser Ansatz spart Quantenressourcen erheblich, während die Verschränkungsstruktur des Systems erhalten bleibt. Zu den spezifischen Operationen gehören: Anwenden lokaler Hamilton-Operationen auf das Ziel-Spin-System; Messung einer Teilmenge von Quantenbits und Aufzeichnung der Messergebnisse; Aktualisierung des Quantenzustands des verbleibenden Systems auf Basis der Messergebnisse und Wiederverwendung der freigegebenen Quantenbits.
Der Kern des holoVQE-Algorithmus (Holographic Variational Quantum Eigensolver) besteht darin, das Problem der Grundzustandsenergie in ein Variationsoptimierungsproblem umzuwandeln. Zu den spezifischen Schritten gehören: Initialisieren des Quantenzustands als zufälliger Matrixproduktzustand; Anwendung einer parametrisierten Quantenschaltung und Verwendung eines klassischen Optimierers zur Aktualisierung der Parameter; und iterative Minimierung des erwarteten Energiewerts, um sich schließlich der Grundzustandsenergie anzunähern.
Durch die Zerlegung der Entwicklungsoperationen im Quantenkanal wird die Zeitentwicklungsoperation als Überlagerung einer Reihe lokaler Hamilton-Aktionen implementiert. Der Algorithmus nutzt außerdem die Zeitschritt-Iteration und die Trotter-Zerlegung, um die Recheneffizienz und -genauigkeit zu verbessern.
Die Entwicklung und Validierung des holographischen Quantenalgorithmus von WiMi eröffnet neue Möglichkeiten für die Quantencomputertechnologie. Es reduziert nicht nur den Ressourcenaufwand für die Simulation komplexer Quantensysteme erheblich, sondern bietet auch ein effektives Werkzeug zur Erforschung hochverschränkter Quantenzustände und schneller Verschränkungswachstumsphänomene. Mit dieser Technologie können Forscher Probleme wie die Grundzustände von zwei- und dreidimensionalen Spinsystemen sowie komplexe dynamische Entwicklungen auch unter begrenzten Hardwarebedingungen effizient untersuchen.
Auch in Zukunft bleibt das Optimierungspotenzial dieser Technologie immens. Das Forschungsteam plant, den Anwendungsbereich des holographischen Quantenalgorithmus zu erweitern und fortschrittlichere variationelle Quanteneigenlösermethoden zu entwickeln, um die Präzision und Effizienz weiter zu verbessern. Darüber hinaus kann diese Technologie durch die Integration mit neuartigen Quantenhardware weitere Anwendungsmöglichkeiten in praktischen Szenarien erkunden.
Mit der rasanten Entwicklung des Quantencomputings wird der holografische Quantenalgorithmus von WiMi zweifellos zu einem wichtigen Meilenstein bei der Weiterentwicklung der Quantenwissenschaft und -technologie werden. Es zeigt nicht nur einen innovativen Weg für das Design von Quantenalgorithmen, sondern legt auch eine solide Grundlage für die weit verbreitete Einführung und Anwendung von Quantencomputern.
Über WiMi Hologram Cloud
WiMi Hologram Cloud, Inc. (NASDAQ:WiMi) ist ein Anbieter von umfassenden technischen Lösungen für holografische Clouds, der sich auf professionelle Bereiche konzentriert, darunter holografische AR-HUD-Software für die Automobilindustrie, holografisches 3D-Puls-LiDAR, holografische Lichtfeldgeräte, holografische Halbleiter, holografische Cloud-Software, holografische Autonavigation und andere. Zu den Dienstleistungen und holografischen AR-Technologien gehören holografische AR-Automobilanwendungen, holografische 3D-Puls-LiDAR-Technologie, holografische Vision-Halbleitertechnologie, holografische Softwareentwicklung, holografische AR-Werbetechnologie, holografische AR-Unterhaltungstechnologie, holografische ARSDK-Zahlung, interaktive holografische Kommunikation und andere holografische AR-Technologien.
