This report proposes a numerical method for simulating on a classical computer an open quantum system composed of several open quantum subsystems. Each subsystem is assumed to be strongly stabilized exponentially towards a decoherence free sub-space, slightly impacted by some decoherence channels and weakly coupled to the other subsystems. This numerical method is based on a perturbation analysis with an original asymptotic expansion exploiting the Heisenberg formulation of the dynamics, either in continuous time or discrete time. It relies on the invariant operators of the local and nominal dissipative dynamics of the subsystems. It is shown that second-order expansion can be computed with only local calculations avoiding global computations on the entire Hilbert space. This algorithm is particularly well suited for simulation of autonomous quantum error correction schemes, such as in bosonic codes with Schr\"odinger cat states. These second-order Heisenberg simulations have been compared with complete Schr\"odinger simulations and analytical formulas obtained by second order adiabatic elimination. These comparisons have been performed three cat-qubit gates: a Z-gate on a single cat qubit; a ZZ-gate on two cat qubits; a ZZZ-gate on three cat qubits. For the ZZZ-gate, complete Schr\"odinger simulations are almost impossible when $\alpha^2$, the energy of each cat qubit, exceeds 8, whereas second-order Heisenberg simulations remain easily accessible up to machine precision. These numerical investigations indicate that second-order Heisenberg dynamics capture the very small bit-flip error probabilities and their exponential decreases versus $\alpha^2$ varying from 1 to 16. They also provides a direct numerical access to quantum process tomography, the so called $\chi$ matrix providing a complete characterization of the different error channels with their probabilities.


翻译:这份报告提出了一个在古典计算机上模拟由几个开放量子子系统组成的开放量子系统的数字方法。 每个子系统被假定为高度稳定, 向一个不相容的子空间高度稳定, 略受某些不相容频道的影响, 与其他子子系统不协调。 这个数字方法基于一个扰动分析, 原始的无损扩展, 利用海森堡的动态配方, 持续时间或离散时间。 它依赖于由子系统本地和名义的断流动态的异位操作者。 显示二级扩展只能通过本地的计算来进行, 避免整个希尔伯特空间的全球计算。 这个算法特别适合模拟自动量子更正计划, 比如在Schr\'ods 的博调代码中进行。 这些海森堡模拟已经与完全的Schr\\"美元值的模拟和分析公式进行了比较, 它们通过第二个小直径直径断消除。 这些比较已经进行了三个“ 位” 门: 一个直径直位错误, 一个直径直径比值的比值, 一个直径直径比值的比值的比值计算, 一个直方的平方的比值的比值的比值为直方的平位数, 。</s>

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