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Maxima-Fortran的高效开放量子系统软件包
软件影响6(2020)100031原始软件出版物使用带有Fortran接口的Maxima在量子开放系统中进行高效和可再现的研究科斯塔斯·布莱科斯帕特雷大学,物理系,Rion 26500,希腊自动清洁装置保留字:开放量子系统数值模拟Fortran重复性研究代码元数据A B标准maxqosim是一个便于分析和模拟量子开放系统的软件包,提供了一个框架,可以协调和自动化理论计算,有效的数值计算和说明。maxqosim由Maxima和Fortran例程组成,围绕与量子开放系统理论及其有效数值模拟相关的方程的符号操作。maxqosim软件包旨在成为一个可复制的,可扩展的和有效的研究量子开放系统的工具。当前代码版本v1.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/SoftwareImpacts/SIMPAC-2020-33可再生胶囊的永久链接https://codeocean.com/capsule/1972541/tree/v1GNU通用公共许可证(GPL)使用git的代码版本控制系统使用Maxima、Fortran的软件代码语言、工具和服务编译要求,操作环境依赖性Maxima,gnu-fortran,make(可选)如果可用,链接到开发人员文档/手册https://github.com/EelVex/maxqosim/tree/v1.0/doc问题支持电子邮件eelvex@gmail.com软件元数据当前软件版本v1.0此版本的可执行文件的永久链接没有生成可可再生胶囊的永久链接https://codeocean.com/capsule/1972541/tree/v1GNU通用公共许可证(GPL)计算平台/操作系统Linux,OS X,Microsoft Windows,类Unix安装要求依赖关系Maxima,gnu-fortran,make(可选)如果可用,链接到用户问题支持电子邮件eelvex@gmail.com1. 介绍开放量子系统(Open Quantum Systems)与环境相互作用的量子力学系统)是量子力学及其应用中的大多数现代研究领域的主要组成部分量子信息、量子光学、量子热力学等领域的研究在很大程度上依赖于这类系统的动力学分析例如,在量子光学领域,开发新应用的一个主要目标是通过与电磁辐射的相互作用来修改量子系统的属性-这被建模为与环境相互作用的系统[1一个值得注意的应用例子是通过激光脉冲产生纠缠量子态。纠缠态是本文中的代码(和数据)已由Code Ocean认证为可复制:(https://codeocean.com/)。更多关于生殖器的信息徽章倡议可在https://www.elsevier.com/physical-sciences-and-engineering/computer-science/journals上查阅。电子邮件地址:mplekos@physics.upatras.gr。https://doi.org/10.1016/j.simpa.2020.100031接收日期:2020年8月10日;接收日期:2020年8月11日;接受日期:2020年8月21日2665-9638/©2020作者。由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章,使用CC BY许可证(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表软件影响杂志 首页:www.journals.elsevier.com/software-impactsK.布莱科斯软件影响6(2020)1000312表1为符号和数值计算定义的一些运算符操作员描述++或<$共轭转置......的 或张量乘积胸罩、胸罩或<<|、|>>braand ket创建/消除和数字运算符Lπ、Lπ自旋和阶梯±算子qc_x,qc_h,. . .1-和2-qubit量子门[/,/],{{,}}转换器表2数值模拟的一些功能。功能描述hilbert或H将符号转换为矩阵形式lindblad_eq或Eq形式Lindblad主方程lindblad_solve在Maximalindblad_fortran导出到Fortran并求解plot_rho绘制密度矩阵的演化图tex_export将公式导出为tex在量子计算领域的大多数应用,使未来的技术,如量子密码学,量子互联网和量子计算机工程。开放量子系统的分析是一项非常困难的任务,除了理论处理之外,几乎总是需要使用近似和数值模拟。例如,计算经常涉及数值求解马尔可夫或非马尔可夫主方程[4]。然而,理论分析和数值分析的步骤以不相关的方式进行是非常常见的,这种做法通常会在分析、说明和模拟结果之间引入误差,并阻碍工作的再现性[5]。此外,如果没有一个强大的管道连接的理论工作与数值分析和结果的最终阐述,严格的调查系统变得相当困难[6]。因此,除了需要有效的数值技术之外,还需要一种自动化的方式来在理论和数值计算以及结果的展示中的符号表示之间进行转换。最近,研究中对再现性的需求变得越来越明显,目前在这方面的方法学的缺点正在研究中[6]。可复制的研究需要强大,开放和透明的软件,需要尽可能少的步骤来执行相关任务,为易于扩展和可重复使用的研究开辟道路[7,8]。我们讨论了maxqosim的影响,在开放的背景量子系统分析强调可再现、可重复和可扩展的研究,同时促进有效的数值模拟。2. 描述maxqosim的主要组件是计算机代数系统Maxima的软件包[9]。Maxima包作为软件的大多数其他模块的入口和协调点。它提供了例程和快捷方式,促进(a)在Maxima环境中的量子力学系统(b) 数值求解相关的主方程(c)过渡从Maxima在一般情况下,有一个重点的分析和模拟马尔可夫主方程的密度矩阵形式主义。要使用此软件,首先要在Maxima中加载提供的maxqosim.mac包,并开始符号化地编写相关方程。该软件包提供了实用程序,更容易处理常用的运算符,函数,方程等(表1)。在理论分析之后,象征性地使用Maxima系统,该软件提供了转换为某些希尔伯特空间中的矩阵表示的例程,以便可以进行进一步的计算或者可以将计算导出为Fortran代码。接下来,该软件提供了基于矩阵表示的例程,这些例程制定了相关方程,最值得注意的是密度矩阵方法中的Lindblad主方程(表2)。这些方程可以通过数值求解,同样通过软件提供的例程,在Maxima或通过Fortran代码。当选择导出到Fortran时,可以使用maxqosim提供的模板,这些模板可以很容易地修改和扩展,或者使用任何其他自定义Fortran代码。输出可以回读到最大值,这样整个项目就可以从一个单一的来源进行协调,从而大大促进了可复制和可重复的实验。最后,提供例程来将给定的关系、函数、参数等从Maxima符号导出到TE X,以便准确且自动地捕获分析计算中的变化。图1、2显示示例会话的快照。 当使用Fortran接口时,可以看到巨大的性能优势(图1)。3)。使用Fortran模板的lindblad_fortran方法比使用Maxima内置函数的lindblad_solve方法的性能高出许多数量级该软件分为以下模块。• 一种提供例行程序的模块,便于有关方程的符号计算.它包括符号代数,运算符和别名,常用定义等。• 一个模块,提供用于将符号方程转换为矩阵的• 一个包含Maxima环境中主方程求解器的模块。• 一个模块,用于将Maxima的代码传输• 一个处理从Maxima的符号代码到T E X的转换的模块总之,maxqosim将开放量子系统的模拟和分析整合到以下步骤:(a)在Maxima中定义系统,(b)执行分析计算,近似等,(c)验证Maxima中给出系统简单或已知变化的参数的结果,(d)数值求解系统方程,(e)分析结果。前一步中的参数、函数或变量等的更改到以下步骤。结果验证很容易,因为一旦运行一个简单的例子,将极大值符号码的变化级联到仿真码中,最后到原稿中。3. 影响maxqosim被广泛使用并正在积极开发中。它最初是为研究与外部电磁场相互作用的两能级系统而创建的,并在[10]中使用。本研究的目的是研究通过控制外部电磁场(通常只是施加到系统的激光脉冲)来控制系统的量子力学性质的方面。系统)。一个彻底的数值研究完成exclu-sively使用maxqosim和关键参数所需的量子力学性质的地方发现。该软件被进一步开发并用于研究更复杂系统中的类似相互作用,如[11,12],其中创建纠缠量子态的研究。maxqosim用于进行彻底的数值研究,理论分析和验证的结果,导致在确定的条件下纠缠产生是可能的。工程学在开放量子系统应用中的另一个重要方面是研究环境中噪声的影响研究电磁场的噪声和波动的影响K.布莱科斯软件影响6(2020)1000313Fig. 1. 一个示例会话。图二、从 图 1 的 示 例 会 话 导出T E X输出。1.一、控制量子系统时的脉冲对于检测研究结果的局限性和适用性至关重要,但这使得理论分析更加复杂,模拟要求更高。自动转换为高效的Fortran代 码 , 这 是 由 该 软 件 提 供 的 , 允 许深 入 研 究 下 的 系 统 。 最 近 ,maxqosim被用于[13,14],其中花费了超过1000个CPU小时用于研究量子光学系统控制中的噪声影响,类似于上面描述的那些。该软件提供的自动化和效率使这项任务易于协调、验证和扩展。在所有案件中,maxqosim提供了(a)一个调查在Maxima中进行分析计算和验证;(b)自动转换为高效和可重复使用的Fortran代码,允许协调的CPU密集型数值计算;(c)与Latex无缝集成,更容易和准确地传播结果。K.布莱科斯软件影响6(2020)10003144. 限制和改进图三. 使用Fortran接口时显示出巨大的性能优势。[4]T.C. Berkelbach,M.张文,量子力学的基本理论与方法,北京大学学报,2001。Chem. Phys. 152(2)(2020)020401,http://dx.doi.org/10.1063/1.5142731,maxqosim正在积极开发中。它可以用来分析和解决各种各样的量子力学问题,但开放量子系统理论和分析的更多方面仍然需要纳入软件。一个例子是扩展了对量子场论计算的符号支持,并更好地支持了非马尔可夫主方程。maxqosim作为Maxima包的核心,可以很容易地扩展并与其他Maxima包协调使用其他可能的改进涉及数字能力该软件:可以包括更复杂的Fortran模板,其更适合于例如刚性方程的集成,或者可以通过诸如MPI和OpenMP的接口提供并行化支持。为此,也有可能已经存在的专门用于特定系统的数值分析的Fortran软件竞合利益作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作引用[1]H.- P. Breuer,F. Petruccione,开放量子系统理论,牛津大学出版社,出版物名称:开放量子系统理论[2] 作案手法史考利,MS朱文,量子光学,国立台湾师范大学物理系,1999。[3] J.L. O'brien,A. Furusawa,J. Vučković,Photonic quantum technologies,NaturePhoton. 3(12)(2009)687-695。出版社:LLCAIPPublishing[5]M.屈内Liehr,ImprovingtheTraditionalInformationManagementinNaturalSciences,Data Sci. J. 8(2009)18[6]J. Kitzes,D. Turek,F. Deniz,可再现研究的实践:来自数据密集型科学的案例研究和教训,加州大学出版社,2017年,Google-Books-ID:NDEyDwAAQBAJ。[7]S.贝希霍费尔岛巴肯,D. De Roure,P. Missier,J. Ainsworth,J. Bhagat,P.Couch,D. Cruickshank,M.德尔德菲尔德岛Dunlop,M. Gamble,D. 米迦勒底斯,S. Owen,D.纽曼,S。苏菲角为什么链接数据对科学家来说是不够的,未来一代。Comput. 29 ( 2 ) ( 2013 ) 599-611 , 特 别 部 分 : 电 子 科 学 的 最 新 进 展 。http://dx.doi.org/10.1016/j.future.2011.08.004网站。[8] M.贝克,1,500名科学家揭开了可重复性的盖子,国家新闻533(7604)(2016)452,部分:新闻特写。http://dx.doi.org/10.1038/533452a网站。[9]Maxima , Maxima , 一 个 计 算 机 代 数 系 统 。 版 本 5.34.1 , 2014 ,maxima.sourceforge.net/。[10]K. 布莱克斯角Simserides,A.F.Terzis,E.Paspalakis,Effects of detuning oncontrol of intersubband quantum well transitions with chirped electromagneticpulses , in : AIP Conference Proceedings-American Institute of Physics ,vol.1288,2010,p.137,http://dx.doi.org/10.1063/1.3521346。[11]K. Blekos,N. Iliopoulos,M. E. Stasinou,E. Vlachos,A.F.太齐斯,半导体量子点与外场相互作用产生的偏振纠缠光子,量子信息处理。13(12)(2014)2633http://dx.doi.org/10.1007/s11128-014-0815-x[12]K. Blekos,M. E. Stasinou,A.F. Terzis,E. Paspalakis,由球形金属纳米颗粒介导的两个驱动量子点之间的纠缠,2015,arXiv预印本arXiv:1509.03764。[13]D. Stefanatos,K. Blekos,E. Paspalakis,在能级中的Ornstein-Uhlenbeck噪声下STIRAP 捷 径 的 鲁 棒 性 , 应 用 科 学 。 10 ( 5 ) ( 2020 ) 1580 ,http://dx.doi.org/10.3390/app10051580。[14]K. Blekos,D.Stefanatos,E.Paspalakis,在耗散和ornstein-uhlenbeck退相存在下超绝热受激拉曼绝热通道的性能,Phys. Rev. A 102(2)(2020)023715,http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.102.023715。[15]J. Lapeyre , Qinf , maxima 的 量 子 信 息 库 , 2020 , https : //github 。com/jlapeyre/qinf.[16]J.Maziero , LibForQ , 量 子 信 息 科 学 的 Fortran 库 , 2020 ,https://github.com/jonasmaziero/LibForQ。[17]G.A. Sinuco-León,openMMF:多模驱动量子系统的FORTRAN/C++库,2020,arXiv预印本arXiv:2005.03426。
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