配分函数的零点是量子计算机热力学计算的“捷径”

(ChinaIT.com讯)北卡罗莱纳州立大学研究人员进行的一项研究开发了一种新方法,使量子计算机能够通过计算配分函数的零点来测量系统的热力学特性。

北卡罗莱纳州大学物理学副教授、论文通讯作者 Lex Kemper 表示:“我们展示了一种新方法,可以获取系统的热力学特性,例如自由能、熵和其他目前无法通过传统或量子计算测量的复杂特性。”“通过计算配分函数的零点,我们正在解决在尝试计算给定系统中的自由能和熵时扩展到更多量子位的问题。”

量子计算机通常用于研究复杂的系统,因为它们能够处理传统计算机无法实现的大型计算。然而,有些问题,例如测量系统中的热力学或自由能(包括计算其熵),仍然太大,即使是这些计算机也无法有效处理。

配分函数描述处于热力学平衡状态的系统的统计特性。系统的总能量、自由能、熵或压力可以用配分函数或其导数在数学上表示。

Kemper 和他的同事使用量子计算机来测量自旋模型在相变中调整时的配分函数的零点,而不是熵。

“我们的方法跳过了计算熵的部分,转而关注配分函数,”Kemper 说。“那是因为配分函数是一个生成函数——一个你可以对它进行运算来获取其他热力学信息(例如内能和熵)的函数。

“我们通过确定配分函数为零点的位置来测量配分函数。一旦知道一个函数的所有零点,你就知道了整个函数。由于零点位于复平面中,我们使用了复磁场和时间演化之间的映射来找到它们。”

研究人员在马里兰大学 Norbert Linke 实验室的标准和俘获离子量子计算机上计算了配分函数。两者的结果比较有利。

Kemper 表示:“这是一种使用量子计算机获取系统所有热力学特性的方法,无需进行大量的量子计算。”

该研究发表在《科学进展 (Science Advances)》上,并得到美国能源部的支持(授权编号:DE-SC0019469)。

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