論文の概要: Quantum Algorithms for Simulating Nuclear Effective Field Theories

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2312.05344v2
• Date: Mon, 21 Jul 2025 19:27:39 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-07-23 21:34:13.711195
• Title: Quantum Algorithms for Simulating Nuclear Effective Field Theories
• Title（参考訳）: 核有効場理論シミュレーションのための量子アルゴリズム
• Authors: James D. Watson, Jacob Bringewatt, Alexander F. Shaw, Andrew M. Childs, Alexey V. Gorshkov, Zohreh Davoudi,
• Abstract要約: 我々は、量子ビットとゲートコストを推定するために最先端のハミルトンシミュレーション法を用いて、低エネルギー有効場理論をシミュレートする。 ピオンレス EFT はシミュレートに最もコストがかかりにくく、続いて1ピオン交換理論(英語版)、そして動的ピオン理論(英語版)が続く。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 38.88664371914129
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Quantum computers offer the potential to simulate nuclear processes that are classically intractable. With the goal of understanding the necessary quantum resources to realize this potential, we employ state-of-the-art Hamiltonian-simulation methods, and conduct a thorough algorithmic analysis, to estimate the qubit and gate costs to simulate low-energy effective field theories (EFTs) of nuclear physics. Within the framework of nuclear lattice EFT, we obtain simulation costs for the leading-order pionless and pionful EFTs. For the latter, we consider both static pions represented by a one-pion-exchange potential between the nucleons, and dynamical pions represented by relativistic bosonic fields coupled to non-relativistic nucleons. Within these models, we examine the resource costs for the tasks of time evolution and energy estimation for physically relevant scales. We account for model errors associated with truncating either long-range interactions in the one-pion-exchange EFT or the pionic Hilbert space in the dynamical-pion EFT, and for algorithmic errors associated with product-formula approximations and quantum phase estimation. We find that the pionless EFT is the least costly to simulate, followed by the one-pion-exchange theory, then the dynamical-pion theory. We demonstrate how symmetries of the low-energy nuclear Hamiltonians can be utilized to obtain tighter error bounds. By retaining the locality of nucleonic interactions when mapped to qubits, we achieve reduced circuit depth and substantial parallelization. In the process, we develop new methods to bound the algorithmic error for classes of fermionic number-preserving Hamiltonians, and obtain tighter Trotter error bounds by explicitly computing nested commutators of Hamiltonian terms. Compared to previous estimates for the pionless EFT, our results represent an improvement by several orders of magnitude.
• Abstract（参考訳）: 量子コンピュータは、古典的に難解な核過程をシミュレートする能力を提供する。 このポテンシャルを実現するために必要となる量子資源を理解することを目的として、我々は最先端のハミルトンシミュレーション法を採用し、核物理学の低エネルギー有効場理論(EFT)をシミュレートするための量子ビットとゲートコストを推定するために、徹底的なアルゴリズム解析を行う。 核格子ETFの枠組みの中では、上位のピオンレスおよびピオンフルETFのシミュレーションコストを得る。 後者については、非相対論的核子に結合した相対論的ボゾン場で表される1ピオン交換ポテンシャルで表される静的ピオンと、相対論的ボゾン場で表される動的ピオンの両方を考える。 これらのモデルの中では、時間進化のタスクと物理的に関連するスケールのエネルギー推定のリソースコストについて検討する。 本研究では, 1-pion-exchange EFT における長距離相互作用と, 動的ピオン EFT におけるピオンヒルベルト空間のいずれにおいてもモデル誤差を考慮し, 積形式近似と量子位相推定のアルゴリズム誤差を考察した。 ピオンレス EFT はシミュレートに最もコストがかかりにくく、続いて1ピオン交換理論(英語版)、そして動的ピオン理論(英語版)が続く。 低エネルギーのハミルトニアンの対称性をいかに利用してより厳密な誤差境界を得るかを実証する。 量子ビットにマッピングされたときのヌクレオニック相互作用の局所性を維持することにより、回路深さの低減と相当な並列化を実現した。 そこで本研究では,フェルミオン数保存型ハミルトニアンのクラスに対するアルゴリズム誤差を有界化するための新しい手法を開発し,ハミルトニアン項のネスト型換算器を明示的に計算することでより厳密なトロッター誤差境界を求める。 ピオンレスETFの従来の推定値と比較すると,この結果は数桁の精度向上を示す。

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