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Dynamic thermalization on noisy quantum hardware

Perrin, Hugo 1; Scoquart, Thibault 1,2; Pavlov, Andrei I. 2; Gnezdilov, Nikolay V.
1 Institut für Theorie der Kondensierten Materie (TKM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
2 Institut für QuantenMaterialien und Technologien (IQMT), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Abstract:

Emulating thermal observables on a digital quantum computer is essential for quantum simulation of many-body physics. However, thermalization typically requires a large system size due to incorporating a thermal bath, whilst limited resources of near-term digital quantum processors allow for simulating relatively small systems. We show that thermal observables and fluctuations may be obtained for a small closed system without a thermal bath. Thermal observables occur upon classically averaging quantum mechanical observables over randomized variants of their time evolution that run independently on a digital quantum processor. Using an IBM quantum computer, we experimentally find thermal occupation probabilities with finite positive and negative temperatures defined by the initial state’s energy. Averaging over random evolutions facilitates error mitigation, with the noise contributing to the temperature in the simulated observables. This result fosters probing the dynamical emergence of equilibrium properties of matter at finite temperatures on noisy intermediate-scale quantum hardware.

Zugehörige Institution(en) am KIT Institut für QuantenMaterialien und Technologien (IQMT)
Institut für Theorie der Kondensierten Materie (TKM)
Publikationstyp Zeitschriftenaufsatz
Publikationsjahr 2025
Sprache Englisch
Identifikator ISSN: 2399-3650
KITopen-ID: 1000180704
HGF-Programm 47.12.01 (POF IV, LK 01) Advanced Solid-State Qubits and Qubit Systems
Erschienen in Communications Physics
Verlag Nature Research
Band 8
Heft 1
Seiten 95
Vorab online veröffentlicht am 07.03.2025
Nachgewiesen in OpenAlex
Web of Science
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Relationen in KITopen

Verlagsausgabe §
DOI: 10.5445/IR/1000180704
Veröffentlicht am 01.04.2025
Seitenaufrufe: 12
seit 01.04.2025
Downloads: 7
seit 02.04.2025
Cover der Publikation
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