第一列
量子軟體技術與應用開發
有效使用量子噪聲進行化學系統量子模擬的演算法研究
本計畫將發展能測量與分析量子電腦中噪聲特性之理論方法，並據以實現一個能夠模擬真實噪聲效應的量子電路模擬器。我們將利用這些工具來闡明IBM-Q 系統上的噪聲特性，並應用在三種量子模擬演算法上：開放量子系統動力學的量子模擬、適用於量子化學的變分量子特徵求解器法、在可容忍噪聲的量子空間中編碼和計算化學資訊。我們也計劃與台灣在地的量子硬體開發團隊發展合作關係，開發能夠幫助自建量子裝置降低噪聲並優化計算效能的演算法。
本研究開發測量與分析量子電腦噪聲特性的理論方法，並構建能模擬真實噪聲效應的量子電路模擬器。透過這些工具，我們將探索IBM-Q系統的噪聲行為，並應用於量子模擬演算法與量子硬體的效能優化。
團隊組成
技術亮點
使用誘導退相干序列模擬耗散開放量子系統的量子動力學過程
- 此技術欲解決問題：
量子模擬是最有潛力展示量子優勢的量子應用之一，特別是適用在近期嘈雜中等規模量子（NISQ）計算機的演算法。然而在現今量子設備上以有限的電路深度實現可用的量子模擬算法非常困難。在這項工作中，我們提出了一種新方案，利用NISQ設備的內在的噪聲來實現可控的開放量子系統動力學模擬，從而將大家急於消除的量子噪聲轉變為有用的量子資源。 - 重要性/突破性：
具體而言，通過使用專門設計的誘導退相干序列，我們在IBM-Q雲端上模擬了光合作用二聚體系統中的能量轉移過程。此項工作展示了可以有效地模擬從相干過程到非相干過程範圍內的量子耗散動力學，而且結果與數值精確的經典計算方法相當。此外，我們展示了一種校準程序，能夠在中等耦合範圍內實現一致且可預測的開放量子系統動力學模擬，從而清楚展現一套利用量子噪聲模擬開放量子系統動力學的新方法。 - 與計畫未來研發方向的關聯性：
這項工作為NISQ時代的量子優勢提供了一個新的方向，並且展現了控制量子電腦上的量子噪聲的可能性。本計畫的目的是透過清楚了解量子電腦上的噪聲特性來發展更有效的量子模擬演算法，而本研究的成果展現了此一研究方向的可能性，為未來的研究奠定了基礎。
使用誘導退相干序列模擬耗散量子系統的量子電路。(a) 在我們的實驗中用於模擬能量轉移系統的電路。(b) 耗散量子系統模擬方案的示意圖。此完整的模擬電路首先通過不同的誘導退相干序列進行操作，這些序列將耗散與退相干引入模擬系統，隨後是系統哈密頓量的隨時演化模擬。(c) 用於耗散量子系統模擬的各種量子電路序列。在我們的測試中，(XZXZZ)2 和 SWAP2 是有效的誘導退相干序列。
出處: Shih, L.-C., Sun, S. & Cheng, Y.-C. Efficient Quantum Simulation of Open Quantum System Dynamics on Noisy Quantum Computers. Phys. Scr. 99, 035101 (2024).