Optimizing quantum simulations and the DMRG method

Abstract

V této práci studujeme kvantové simulace na klasických počítačích z pohledu kvantové teorie informace. Zaměřujme se zejména na silně korelované mnohočásticové vlnové funkce. Ukazujeme, jak je možné pomocí ztrátové kvantové komprese zredukovat množství dat potřebných pro datovou reprezentaci stavu a zkoumáme strukturu entanglementu silně korelovaných chemických systémů. Pro tento účel popisujeme různé míry entanglementu pro metodu DMRG ( metoda Density Matrix Renormalization Group). V rámci DMRG metody implementujeme výpočet zobecnění vzájemné informace (mutual information) pro systém rozdělený na tři části. Uvádíme několik způsobů jak optimalizovat výpočet základního stavu v rámci DMRG. Teoretické závěry jsou podpořeny numerickou simulatcí molekuly diboranu, jenž vykazuje chemicky zajímavou elektronovou strukturu, jako např. 3-centrové 2-elektronové vazby. V teoretické části uvádíme do problematiky kvantové teorie informace v souvislosti s kvantově chemickými systémy, vysvětlujeme motivaci, jenž stojí za naším výběrem toho systému a prezentujeme výsledky svých vlastních výpočtů tříčásticové vzájemne informace (tripartite mutual information). Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

Title: Optimizing quantum simulations and the DMRG method Author: Jan Brandejs Department: Department of Chemical Physics and Optics Supervisor: doc. Dr. rer. nat. Jiří Pittner, DSc., J. Heyrovský Institute of Physical Chemistry of the Czech Academy of Sciences Abstract: In this work, we explore the quantum information theoretical aspects of simulation of quantum systems on classical computers, in particular the many- electron strongly correlated wave functions. We describe a way how to reduce the amount of data required for storing the wavefunction by a lossy compression of quantum information. For this purpose, we describe the measures of quantum entanglement for the density matrix renormalization group method. We imple- ment the computation of multi-site generalization of mutual information within the DMRG method and investigate entanglement patterns of strongly correlated chemical systems. We present several ways how to optimize the ground state calculation in the DMRG method. The theoretical conclusions are supported by numerical simulations of the diborane molecule, exhibiting chemically interest- ing electronic structure, like the 3-centered 2-electron bonds. In the theoretical part, we give a brief introduction to the principles of the DMRG method. Then we explain the quantum informational...