論文の概要: Analog Quantum Simulator of a Quantum Field Theory with Fermion-Spin Systems in Silicon
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2407.03419v1
- Date: Wed, 3 Jul 2024 18:00:52 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-07-08 20:10:41.365755
- Title: Analog Quantum Simulator of a Quantum Field Theory with Fermion-Spin Systems in Silicon
- Title（参考訳）: シリコン中のフェルミオンスピン系を持つ量子場理論のアナログ量子シミュレータ
- Authors: Ali Rad, Alexander Schuckert, Eleanor Crane, Gautam Nambiar, Fan Fei, Jonathan Wyrick, Richard M. Silver, Mohammad Hafezi, Zohreh Davoudi, Michael J. Gullans,
- Abstract要約: フェルミオンを量子ビットにマッピングすることは、2+1$以上の時空次元で困難である。
シリコン中のドーパントアレイを用いた固有フェルミオンスピンアナログ量子シミュレータを提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 34.80375275076655
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Simulating fermions coupled to spin degrees of freedom, relevant for a range of quantum field theories, represents a promising application for quantum simulators. Mapping fermions to qubits is challenging in $2+1$ and higher spacetime dimensions, and mapping bosons demands substantial quantum-computational overhead. These features complicate the realization of mixed fermion-boson quantum systems in digital quantum computers. We propose a native fermion-(large-)spin analog quantum simulator by utilizing dopant arrays in silicon. Specifically, we show how to use a dynamical lattice of coupled nuclear spins and conduction-band electrons to realize a quantum field theory: an extended Jackiw-Rebbi model involving coupled fermions and quantum rotors. We demonstrate the feasibility of observing dynamical mass generation and a confinement-deconfinement quantum phase transition in 1+1 dimensions on this platform, even in the presence of strong long-range Coulomb interactions. Furthermore, we employ finite-temperature Hartree-Fock-Bogoliubov simulations to investigate the dynamics of mass generation in two-dimensional square and honeycomb arrays, showing that this phenomenon can be simulated with realistic experimental parameters. Our findings reveal two distinct phases, and demonstrate robustness against the addition of Coulomb interactions. Finally, we discuss experimental signatures of the phases through transport and local charge sensing in dopant arrays. This study lays the foundation for quantum simulations of quantum field theories exhibiting fermions coupled to spin degrees of freedom using donors in silicon.
- Abstract（参考訳）: 量子場理論に関連するスピン度に結合したフェルミオンのシミュレーションは、量子シミュレーターへの有望な応用である。
フェルミオンを量子ビットにマッピングすることは、2+1$以上の時空次元で難しい。
これらの特徴は、デジタル量子コンピュータにおける混合フェルミオンボソン量子系の実現を複雑にする。
シリコン中のドーパントアレイを用いた固有フェルミオンスピンアナログ量子シミュレータを提案する。
具体的には、結合した核スピンと伝導バンド電子の動的格子を用いて量子場理論、すなわち結合したフェルミオンと量子ローターを含む拡張ジャッキー・レビモデルを実現する方法を示す。
我々は,強い長距離クーロン相互作用の存在下においても,このプラットフォーム上の1+1次元における動的質量生成と閉じ込め分解量子相転移の観測可能性を示す。
さらに, 有限温度ハーツリー・フォック・ボゴリューボフシミュレーションを用いて2次元正方形およびハニカムアレイの質量生成のダイナミクスを解析し, この現象を現実的な実験パラメータでシミュレートできることを示した。
以上の結果から,クーロン相互作用の付加に対する強靭性を示す2つの相が明らかとなった。
最後に、ドーパントアレイにおける輸送および局所電荷センシングによる位相の実験的シグネチャについて論じる。
この研究は、ケイ素のドナーを用いてスピン自由度に結合したフェルミオンを示す量子場理論の量子シミュレーションの基礎を築いた。
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