Quantum dynamics can be simulated on a quantum computer by exponentiating elementary terms from the Hamiltonian in a sequential manner. However, such an implementation of Trotter steps has gate complexity depending on the total Hamiltonian term number, comparing unfavorably to algorithms using more advanced techniques. We develop methods to perform faster Trotter steps with complexity sublinear in the number of terms. We achieve this for a class of Hamiltonians whose interaction strength decays with distance according to power law. Our methods include one based on a recursive block encoding and one based on an average-cost simulation, overcoming the normalization-factor barrier of these advanced quantum simulation techniques. We also realize faster Trotter steps when certain blocks of Hamiltonian coefficients have low rank. Combining with a tighter error analysis, we show that it suffices to use $\left(\eta^{1/3}n^{1/3}+\frac{n^{2/3}}{\eta^{2/3}}\right)n^{1+o(1)}$ gates to simulate uniform electron gas with $n$ spin orbitals and $\eta$ electrons in second quantization in real space, asymptotically improving over the best previous work. We obtain an analogous result when the external potential of nuclei is introduced under the Born-Oppenheimer approximation. We prove a circuit lower bound when the Hamiltonian coefficients take a continuum range of values, showing that generic $n$-qubit $2$-local Hamiltonians with commuting terms require at least $\Omega(n^2)$ gates to evolve with accuracy $\epsilon=\Omega(1/poly(n))$ for time $t=\Omega(\epsilon)$. Our proof is based on a gate-efficient reduction from the approximate synthesis of diagonal unitaries within the Hamming weight-$2$ subspace, which may be of independent interest. Our result thus suggests the use of Hamiltonian structural properties as both necessary and sufficient to implement Trotter steps with lower gate complexity.


翻译:可以在量子计算机上模拟量子动力。 我们的方法包括: 以从汉密尔顿州以相继方式以直线方式从汉密尔顿州取出基本条件。 但是, 实施Trotter步骤时, 取决于汉密尔顿州名数的总和, 比较不可取的算法。 我们开发了方法, 以复杂的次线性数执行更快的Trotter步骤。 我们为那些互动强度随着电流法的距离而下降的汉密尔顿人提供了这个方法。 我们的方法包括一个基于复现区编码的方法,一个基于平均成本模拟的方法, 克服了这些高级量级模拟技术的正统障碍。 当某些汉密尔密尔顿州名数的区块的级别较低时, 我们还可以更快的Trotter步骤。 结合一个更严格的错误分析, 我们就可以使用 $left( eta_1/3) n\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

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