Quantum simulation is a prominent application of quantum computers. While there is extensive previous work on simulating finite-dimensional systems, less is known about quantum algorithms for real-space dynamics. We conduct a systematic study of such algorithms. In particular, we show that the dynamics of a $d$-dimensional Schr\"{o}dinger equation with $\eta$ particles can be simulated with gate complexity $\tilde{O}\bigl(\eta d F \text{poly}(\log(g'/\epsilon))\bigr)$, where $\epsilon$ is the discretization error, $g'$ controls the higher-order derivatives of the wave function, and $F$ measures the time-integrated strength of the potential. Compared to the best previous results, this exponentially improves the dependence on $\epsilon$ and $g'$ from $\text{poly}(g'/\epsilon)$ to $\text{poly}(\log(g'/\epsilon))$ and polynomially improves the dependence on $T$ and $d$, while maintaining best known performance with respect to $\eta$. For the case of Coulomb interactions, we give an algorithm using $\eta^{3}(d+\eta)T\text{poly}(\log(\eta dTg'/(\Delta\epsilon)))/\Delta$ one- and two-qubit gates, and another using $\eta^{3}(4d)^{d/2}T\text{poly}(\log(\eta dTg'/(\Delta\epsilon)))/\Delta$ one- and two-qubit gates and QRAM operations, where $T$ is the evolution time and the parameter $\Delta$ regulates the unbounded Coulomb interaction. We give applications to several computational problems, including faster real-space simulation of quantum chemistry, rigorous analysis of discretization error for simulation of a uniform electron gas, and a quadratic improvement to a quantum algorithm for escaping saddle points in nonconvex optimization.


翻译:量子模拟是量子计算机的一个显著应用。 虽然在模拟有限维系统方面开展了大量先前的工作, 但对于真实空间动态的量子算法了解较少。 我们对这种算法进行系统研究。 特别是, 我们显示, 美元- 维Schr\\\\\\\ { o} 等离子方程式的动态可以模拟出门复杂度$\ tilde{ O ⁇ bigl (\eta dF f\ text{ { poly} (log( g'/\ epsilon)\ briger) $, 美元是离异的, 美元控制波函数的更高级衍生物, 美元测量潜力的时间整合强度。 与以往的最佳结果相比, 这极大地提高了对美元- liversilon 美元和 美元- texcial_ dicial_ liental_ laxal_ lax divil_ liverational_ lax_ lax_ lient_ dal_ dal_ dal_ dal- dal_ dal_ dismodeal_ dal_ dal_ disal_ dismologd_ dismology_ exxxx_ exports a us exxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

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