論文の概要: Digital quantum simulation of scalar Yukawa coupling: Dynamics following an interaction quench on IBM Q

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2211.02684v1
• Date: Fri, 4 Nov 2022 18:06:41 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-01-20 08:48:04.739769
• Title: Digital quantum simulation of scalar Yukawa coupling: Dynamics following an interaction quench on IBM Q
• Title（参考訳）: スカラー湯川カップリングのディジタル量子シミュレーション:IBM Q上の相互作用クエンチによるダイナミクス
• Authors: Thierry N. Kaldenbach, Matthias Heller, Gernot Alber, and Vladimir M. Stojanovic
• Abstract要約: IBM Q上の湯川相互作用クエンチの非平衡ダイナミクスについて検討する。 最大3ボソンでその力学をエミュレートする低深さ量子回路を設計する。 より高ボソン数のトランケーションのためのシステム力学をエミュレートする量子回路のCNOTコスト推定法を提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Motivated by the dearth of studies pertaining to the digital quantum simulation of coupled fermion-boson systems and the revitalized interest in simulating models from medium- and high-energy physics, we investigate the nonequilibrium dynamics following a Yukawa-interaction quench on IBM Q. After adopting -- due to current quantum-hardware limitations -- a single-site (zero-dimensional) version of the scalar Yukawa-coupling model as our point of departure, we design low-depth quantum circuits that emulate its dynamics with up to three bosons. In particular, using advanced circuit-optimization techniques, in the one-boson case we demonstrate circuit compression, i.e. design a shallow (constant-depth) circuit that contains only two CNOT gates, regardless of the total simulation time. In the three-boson case -- where such a compression is not possible -- we design a circuit in which one Trotter step entails 8 CNOTs, this number being far below the maximal CNOT-cost of a generic three-qubit gate. Using an analogy with the travelling salesman problem, we also provide a CNOT-cost estimate for quantum circuits emulating the system dynamics for higher boson-number truncations. Finally, based on the proposed circuits for one- and three-boson cases, we quantify the system dynamics for several different initial states by evaluating the expected fermion- and boson numbers at an arbitrary time after the quench. We validate our results by finding their good agreement with the exact ones obtained through classical benchmarking.
• Abstract（参考訳）: Motivated by the dearth of studies pertaining to the digital quantum simulation of coupled fermion-boson systems and the revitalized interest in simulating models from medium- and high-energy physics, we investigate the nonequilibrium dynamics following a Yukawa-interaction quench on IBM Q. After adopting -- due to current quantum-hardware limitations -- a single-site (zero-dimensional) version of the scalar Yukawa-coupling model as our point of departure, we design low-depth quantum circuits that emulate its dynamics with up to three bosons. 特に、高度な回路最適化技術を用いて、1ボソンの場合、シミュレーション時間に関係なく2つのCNOTゲートしか持たない浅い(定数深度)回路を設計する回路圧縮を実演する。 このような圧縮が不可能な3ボソンのケースでは、1つのトロッターステップが8個のCNOTを含む回路を設計し、この数はジェネリック3量子ゲートの最大CNOTコストよりはるかに低い。 また,巡回セールスマン問題との類似性を用いて,より高いボソン数切断のシステムダイナミクスをエミュレートする量子回路のcnotコスト推定も提供する。 最後に, 1-および3-ボソンのケースに対する提案回路に基づいて, クエンチ後の任意の時間に, 期待するフェルミオン数とボソン数を評価することにより, いくつかの初期状態のシステムダイナミクスを定量化する。 従来のベンチマークで得られた正確な結果と良い一致を見出すことで、結果を検証した。

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