配分函数为零是量子计算机热力学计算的“捷径”

北卡罗莱纳州立大学的研究人员领导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来测量系统的热力学性质。

“我们已经说明新方法得到系统的热力学性质,如自由能、熵,和其他属性太复杂目前被测量通过传统或量子计算,“Lex Kemper说,物理学副教授数控状态和论文的通讯作者描述的工作。“通过计算配分函数零，我们正在解决一个问题，即在试图计算给定系统中的自由能和熵时，要缩放到更大数量的量子位元。”

量子计算机经常被用于研究复杂的系统，因为它们能够处理传统计算机无法完成的大型计算。然而，一些问题，如测量系统中的热力学或自由能(涉及计算系统的熵)，仍然太大，即使是这些计算机也无法有效地处理。

配分函数描述系统在热力学平衡中的统计性质。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出来。

Kemper和他的同事们使用量子计算机来测量一个自旋模型的配分函数零，而不是熵，当它在相变中被调整时。

Kemper说:“我们的方法跳过了计算熵的部分，而更倾向于看配分函数。”“这是因为配分函数是一个生成函数，你可以对它进行操作，以获得热力学信息，比如内能和熵。

“我们通过确定配分函数在哪里为零来测量配分函数。一旦你知道了一个函数的所有0，你就知道了整个函数。由于零位于复平面，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实验室的标准和捕获离子量子计算机上计算了配分函数。两者的结果比较好。

“这是一种使用量子计算机来获得系统所有热力学性质的方法，而不需要大量的量子计算，”Kemper说。

这项研究发表在《科学进展》杂志上。