論文の概要: Quantum Computing Simulation of a Mixed Spin-Boson Hamiltonian and Its Performance for a Cavity Quantum Electrodynamics Problem
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2310.11342v2
- Date: Fri, 15 Mar 2024 10:23:38 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-03-19 02:13:39.563038
- Title: Quantum Computing Simulation of a Mixed Spin-Boson Hamiltonian and Its Performance for a Cavity Quantum Electrodynamics Problem
- Title（参考訳）: 混合スピン-ボソンハミルトニアンの量子計算シミュレーションとそのキャビティ量子電磁力学問題への応用
- Authors: Maria Tudorovskaya, David Muñoz Ramo,
- Abstract要約: 本稿では,光子ホッピングを許容する一対の空洞における相転移をシミュレーションする手法を提案する。
シミュレーションは、控えめな量の量子資源で行うことができる。
- 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: In this paper, we aim to broaden the spectrum of possible applications of quantum computers and use their capabilities to investigate effects in cavity quantum electrodynamics ("cavity QED"). Interesting application examples are material properties, multiphoton effects such as superradiance, systems with strong field-matter coupling, and others. For QED applications, experimental studies are challenging, and classical simulations are often expensive. Therefore, exploring the capabilities of quantum computers is of interest. Below we present a methodology for simulating a phase transition in a pair of coupled cavities that permit photon hopping. We map the spin and boson systems to separate parts of the register and use first-order Trotterization to time-propagate the wavefunction. The order parameter, which is the observable for the phase transition, is calculated by measuring the number operator and its square. We introduce a boson-to-qubit mapping to facilitate a multi-photon, multi-atom case study. Our mapping scheme is based on the inverse Holstein-Primakoff transformation. In the multi-photon regime, boson operators are expressed via higher-spin operators which are subsequently mapped on a circuit using Pauli operators. We use a Newton series expansion to enable rigorous treatment of the square root operator. We reproduce the results of classical simulations of a phase transition with a noiseless 6-qubit simulation. We find that the simulation can be performed with a modest amount of quantum resources. Finally, we perform simulations on noisy emulators and find that mitigation techniques are essential to distinguish signal from noise.
- Abstract（参考訳）: 本稿では,量子コンピュータの応用可能性のスペクトルを広げ,空洞量子電磁力学(Cavity QED)の効果を調べることを目的とする。
興味深い応用例としては、材料特性、超放射能のような多光子効果、強い場-物質結合を持つ系などがある。
QEDアプリケーションの場合、実験的な研究は困難であり、古典的なシミュレーションは高価であることが多い。
したがって、量子コンピュータの能力を探究することが重要である。
以下に、光子ホッピングを可能にする一対の結合キャビティにおける相転移をシミュレートする手法を示す。
スピンとボソンの系をレジスタの分離部分にマッピングし,1次トロッタライゼーションを用いて波動関数の時間的伝搬を行う。
位相遷移の観測可能な順序パラメータは、数演算子とその正方形を測定して算出する。
本稿では,多光子・多原子ケーススタディを容易にするボソン・ツー・キュービットマッピングを提案する。
我々の写像スキームは、逆ホルシュタイン・プリマコフ変換に基づいている。
多光子系では、ボソン作用素は高スピン作用素を介して表現され、後にパウリ作用素を用いて回路上に写像される。
我々はニュートン級数展開を用いて平方根作用素の厳密な処理を可能にする。
ノイズレス6量子ビットシミュレーションによる相転移の古典シミュレーションの結果を再現する。
シミュレーションは、控えめな量の量子資源で行うことができる。
最後に、ノイズエミュレータのシミュレーションを行い、ノイズと信号の区別に緩和技術が不可欠であることを示す。
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