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A Quantum-Inspired Algorithm for Wave Simulation Using Tensor Networks

Lively, Kevin und Pagni, Vittorio und Camacho, Gonzalo (2025) A Quantum-Inspired Algorithm for Wave Simulation Using Tensor Networks. [sonstige Veröffentlichung] (im Druck)

[img] PDF
8MB

Offizielle URL: https://arxiv.org

Kurzfassung

We present an efficient classical algorithm based on the construction of a unitary quantum circuit for simulating the Isotropic Wave Equation (IWE) in one, two, or three dimensions. Using an analogy with the massless Dirac equation, second order time and space derivatives in the IWE are reduced to first order, resulting in a Schrödinger equation of motion. Exact diagonalization of the unitary circuit in combination with Tensor Networks allows simulation of the wave equation with a resolution of 10^13 grid points on a laptop. A method for encoding arbitrary analytical functions into diagonal Matrix Product Operators is employed to prepare and evolve a Matrix Product State (MPS) encoding the solution. Since the method relies on the Quantum Fourier Transform, which has been shown to generate small entanglement when applied to arbitrary MPSs, simulating the evolution of initial conditions with sufficiently low bond dimensions to high accuracy becomes highly efficient, up to the cost of Trotterized propagation and sampling of the wavefunction. We conclude by discussing possible extensions of the approach for carrying out Tensor Network simulations of other partial differential equations such as Maxwell's equations.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/219556/
Dokumentart:sonstige Veröffentlichung
Titel:A Quantum-Inspired Algorithm for Wave Simulation Using Tensor Networks
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Lively, Kevinkevin.lively (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Pagni, Vittoriovittorio.pagni (at) dlr.dehttps://orcid.org/0009-0006-9753-3656NICHT SPEZIFIZIERT
Camacho, Gonzalogonzalo.camacho (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:15 April 2025
Erschienen in:ArXiv.org
Referierte Publikation:Nein
Open Access:Ja
DOI:10.48550/arXiv.2504.11181
ISSN:2331-8422
Status:im Druck
Stichwörter:acoustic wave equation, partial differential equations, quantum simulation, quantum computing, quantum circuits, quantum fourier transform, matrix product states, tensor trains
HGF - Forschungsbereich:keine Zuordnung
HGF - Programm:keine Zuordnung
HGF - Programmthema:keine Zuordnung
DLR - Schwerpunkt:Quantencomputing-Initiative
DLR - Forschungsgebiet:QC SW - Software
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):QC - ALQU, QC - CLIQUE
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Softwaretechnologie
Hinterlegt von: Lively, Kevin
Hinterlegt am:25 Nov 2025 10:14
Letzte Änderung:26 Nov 2025 13:21

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