Матрица состояния продукта - Википедия - Matrix product state

Графическое обозначение Пенроуза (обозначение тензорной диаграммы) состояния матричного произведения пяти частиц.

Состояние продукта матрицы (MPS) это квантовое состояние множества частиц, записанных в следующем виде:

{ displaystyle | Psi rangle = sum _ { {s }} { text {Tr}} [A_ {1} ^ {(s_ {1})} A_ {2} ^ {(s_ {2 })} cdots A_ {N} ^ {(s_ {N})}] | s_ {1} s_ {2} ldots s_ {N} rangle,}

куда ${ displaystyle A_ {i} ^ {(s_ {i})}}$ находятся сложный, квадратные матрицы порядка ${ displaystyle chi}$ (это измерение называется локальным измерением). Индексы ${ displaystyle s_ {i}}$ переходить по состояниям в вычислительной базе. За кубиты, это ${ displaystyle s_ {i} in {0,1 }}$ . Для кудитов (систем уровня d) это ${ displaystyle s_ {i} in {0,1, ldots, d-1 }}$ .

Это особенно полезно при работе с основные состояния одномерных квантовых спиновых моделей (например, Модель Гейзенберга (квантовая) ) .Параметр ${ displaystyle chi}$ относится к запутанность между частицами. В частности, если состояние состояние продукта (т.е. совсем не запутано), его можно описать как состояние матричного произведения с ${ displaystyle chi = 1}$ .

Для состояний, которые трансляционно симметричны, мы можем выбрать:

{ Displaystyle A_ {1} ^ {(s)} = A_ {2} ^ {(s)} = cdots = A_ {N} ^ {(s)} Equiv A ^ {(s)}.}

В общем, каждое состояние можно записать в форме MPS (с ${ displaystyle chi}$ экспоненциально растет с числом частиц N). Однако MPS практичны, когда ${ displaystyle chi}$ мала - например, не зависит от количества частиц. За исключением небольшого количества конкретных случаев (некоторые из них упомянуты в разделе Примеры ), это невозможно, хотя во многих случаях это хорошее приближение.

Разложение MPS не уникально. Для ознакомления см. ^[1] и.^[2] В контексте конечных автоматов см.^[3] Чтобы узнать о графическом обосновании тензорных сетей, см. Введение.^[4]

Получение MPS

Один из методов получения MPS-представления квантового состояния - использовать Разложение Шмидта $N - 1$ раз. В качестве альтернативы, если квантовая схема который подготавливает множество состояний тела, можно сначала попытаться получить представление схемы оператором матричного произведения. Локальные тензоры в операторе матричного произведения будут тензорами четырех индексов. Локальный тензор MPS получается путем сжатия одного физического индекса локального тензора MPO с состоянием, которое вводится в квантовую схему в этом узле.

Примеры

Штат Гринбергера – Хорна – Цайлингера

Штат Гринбергера – Хорна – Цайлингера, который для $N$ частицы можно записать как суперпозиция из $N$ нули и $N$ те

{ displaystyle | mathrm {GHZ} rangle = { frac {| 0 rangle ^ { otimes N} + | 1 rangle ^ { otimes N}} { sqrt {2}}}}

может быть выражено как матричное состояние продукта с точностью до нормализации с

{ Displaystyle A ^ {(0)} = { begin {bmatrix} 1 & 0 0 & 0 end {bmatrix}} quad A ^ {(1)} = { begin {bmatrix} 0 & 0 0 & 1 end { bmatrix}},}

или, что то же самое, с использованием обозначений из:^[3]

{ displaystyle A = { begin {bmatrix} | 0 rangle & 0 0 & | 1 rangle end {bmatrix}}.}

В этой нотации используются матрицы с элементами, являющимися векторами состояний (вместо комплексных чисел), а когда умножающие матрицы с помощью тензорное произведение для его записей (вместо произведения двух комплексных чисел). Такая матрица строится как

{ Displaystyle A Equiv | 0 rangle A ^ {(0)} + | 1 rangle A ^ {(1)} + ldots + | d-1 rangle A ^ {(d-1)}.}

Обратите внимание, что тензорное произведение не коммутативный.

В этом конкретном примере продукт двух А матрицы это:

{ displaystyle AA = { begin {bmatrix} | 00 rangle & 0 0 & | 11 rangle end {bmatrix}}.}

Состояние W

Состояние W, т.е. суперпозиция всех вычислительных базисных состояний веса Хэмминга один. Несмотря на то, что состояние симметрично по перестановкам, его простейшее представление MPS - нет.^[1] Например:

{ displaystyle A_ {1} = { begin {bmatrix} | 0 rangle & 0 | 0 rangle & | 1 rangle end {bmatrix}} quad A_ {2} = { begin {bmatrix} | 0 rangle & | 1 rangle 0 & | 0 rangle end {bmatrix}} quad A_ {3} = { begin {bmatrix} | 1 rangle & 0 0 & | 0 rangle end {bmatrix }}.}

AKLT модель

Волновая функция основного состояния AKLT, которая является историческим примером подхода MPS:^[5] соответствует выбору^[6]

{ displaystyle A ^ {+} = { sqrt { frac {2} {3}}} sigma ^ {+} = { begin {bmatrix} 0 & { sqrt {2/3}} 0 & 0 end {bmatrix}}}

{ displaystyle A ^ {0} = { frac {-1} { sqrt {3}}} sigma ^ {z} = { begin {bmatrix} -1 / { sqrt {3}} & 0 0 & 1 / { sqrt {3}} end {bmatrix}}}

{ displaystyle A ^ {-} = - { sqrt { frac {2} {3}}} sigma ^ {-} = { begin {bmatrix} 0 & 0 - { sqrt {2/3} } & 0 end {bmatrix}}}

где ${ displaystyle sigma { text {'s}}}$ находятся Матрицы Паули, или же

{ displaystyle A = { frac {1} { sqrt {3}}} { begin {bmatrix} - | 0 rangle & { sqrt {2}} | + rangle - { sqrt {2 }} | - rangle & | 0 rangle end {bmatrix}}.}

Модель Маджумдара – Гоша

Основное состояние Маджумдара – Гоша может быть записано как MPS с

{ displaystyle A = { begin {bmatrix} 0 & left | uparrow right rangle & left | downarrow right rangle { frac {-1} { sqrt {2}}} left | downarrow right rangle & 0 & 0 { frac {1} { sqrt {2}}} left | uparrow right rangle & 0 & 0 end {bmatrix}}.}

Смотрите также

внешняя ссылка

[PerezGarcia:2006-1] а ^б Perez-Garcia, D .; Verstraete, F .; Вольф, М. (2008). «Матричные представления состояний продукта». arXiv:Quant-ph / 0608197.

[Verstraete:2008-2] Verstraete, F .; Murg, V .; Cirac, J.I. (2008). «Матричные состояния продукта, спроектированные состояния запутанных пар и методы вариационной ренормализационной группы для квантовых спиновых систем». Успехи в физике. 57 (2): 143–224. arXiv:0907.2796. Bibcode:2008AdPhy..57..143V. Дои:10.1080/14789940801912366.

[Crosswhite:2008-3] а ^б Кроссвайт, Грегори; Бэкон, Дэйв (2008). «Конечные автоматы для кэширования в алгоритмах матричного произведения». Физический обзор A. 78 (1): 012356. arXiv:0708.1221. Bibcode:2008PhRvA..78a2356C. Дои:10.1103 / PhysRevA.78.012356.

[Biamonte:2018-4] Биамонте, Иаков; Бергхольм, Вилле (2017). «Тензорные сети в двух словах»: 35. arXiv:1708.00006. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)

[Affleck:1987-5] Аффлек, Ян; Кеннеди, Том; Lieb, Elliott H .; Тасаки, Хэл (1987). «Строгие результаты по основным состояниям валентных связей в антиферромагнетиках». Письма с физическими проверками. 59 (7): 799–802. Bibcode:1987ПхРвЛ..59..799А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.59.799. PMID 10035874.

[Schollwoeck:2011-6] Шолльвёк, Ульрих (2011). «Ренормализационная группа матрицы плотности в возрасте состояний матричного произведения». Анналы физики. 326: 96–192. arXiv:1008.3477. Bibcode:2011AnPhy.326 ... 96S. Дои:10.1016 / j.aop.2010.09.012.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]