論文の概要: Hybrid Oscillator-Qubit Quantum Processors: Simulating Fermions, Bosons, and Gauge Fields
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2409.03747v1
- Date: Thu, 5 Sep 2024 17:58:20 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-09-06 19:33:34.818602
- Title: Hybrid Oscillator-Qubit Quantum Processors: Simulating Fermions, Bosons, and Gauge Fields
- Title（参考訳）: ハイブリッドオシレータ-量子プロセッサ:フェルミオン、ボソン、ゲージ場のシミュレーション
- Authors: Eleanor Crane, Kevin C. Smith, Teague Tomesh, Alec Eickbusch, John M. Martyn, Stefan Kühn, Lena Funcke, Michael Austin DeMarco, Isaac L. Chuang, Nathan Wiebe, Alexander Schuckert, Steven M. Girvin,
- Abstract要約: 我々は,強い相関を持つフェルミオンとボソンの量子シミュレーションのためのハイブリッド発振器量子ビットプロセッサフレームワークを開発した。
この枠組みは、ベーカー・カンベル・ハウスドルフの公式に基づく近似法と同様に、粒子相互作用の正確な分解を与える。
我々の研究は超伝導ハードウェアの実装に焦点を当てているが、我々のフレームワークはトラップされたイオンや中性原子ハードウェアにも使用できる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 31.51988323782987
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: We develop a hybrid oscillator-qubit processor framework for quantum simulation of strongly correlated fermions and bosons that avoids the boson-to-qubit mapping overhead encountered in qubit hardware. This framework gives exact decompositions of particle interactions such as density-density terms and gauge-invariant hopping, as well as approximate methods based on the Baker-Campbell Hausdorff formulas including the magnetic field term for the $U(1)$ quantum link model in $(2+1)$D. We use this framework to show how to simulate dynamics using Trotterisation, perform ancilla-free partial error detection using Gauss's law, measure non-local observables, estimate ground state energies using a oscillator-qubit variational quantum eigensolver as well as quantum signal processing, and we numerically study the influence of hardware errors in circuit QED experiments. To show the advantages over all-qubit hardware, we perform an end-to-end comparison of the gate complexity for the gauge-invariant hopping term and find an improvement of the asymptotic scaling with the boson number cutoff $S$ from $\mathcal{O}(\log(S)^2)$ to $\mathcal{O}(1)$ in our framework as well as, for bosonic matter, a constant factor improvement of better than $10^4$. We also find an improvement from $\mathcal{O}(\log(S))$ to $\mathcal{O}(1)$ for the $U(1)$ magnetic field term. While our work focusses on an implementation in superconducting hardware, our framework can also be used in trapped ion, and neutral atom hardware. This work establishes digital quantum simulation with hybrid oscillator-qubit hardware as a viable and advantageous method for the study of qubit-boson models in materials science, chemistry, and high-energy physics.
- Abstract（参考訳）: 量子ビットハードウェアで発生するボソン-量子ビットマッピングオーバーヘッドを回避するために,強い相関を持つフェルミオンとボソンの量子シミュレーションのためのハイブリッド発振器-量子ビットプロセッサフレームワークを開発した。
この枠組みは密度密度項やゲージ不変ホッピングなどの粒子相互作用の正確な分解とベーカー・カンベル・ハウスドルフの公式に基づく近似手法を提供し、$(2+1)$Dの量子リンクモデルの磁場項を含む。
我々は、このフレームワークを用いて、トロタライゼーションを用いたダイナミクスのシミュレート、ガウスの法則によるアンシラフリー部分誤差検出、非局所観測値の測定、発振器-量子変動量子固有解器を用いた基底状態エネルギーの推定、量子信号処理、および回路QED実験におけるハードウェアエラーの影響を数値的に研究する。
全量子ビットハードウェアの利点を示すため、ゲージ不変ホッピング項のゲート複雑性の終端比較を行い、ボソン数カットオフによる漸近スケーリングの改善を、我々のフレームワークおよびボソニックマターにおいて10^4$以上の定数係数改善も行い、ボソン数カットオフを$S$から$\mathcal{O}(\log(S)^2)$から$\mathcal{O}(1)$までとする。
また、$U(1)$の磁場項に対して$\mathcal{O}(\log(S))$から$\mathcal{O}(1)$への改善も見出す。
我々の研究は超伝導ハードウェアの実装に焦点を当てているが、我々のフレームワークはトラップされたイオンや中性原子ハードウェアにも使用できる。
この研究は、物質科学、化学、高エネルギー物理学における量子ボソンモデルの研究において、ハイブリッド振動子量子ビットハードウェアを用いたデジタル量子シミュレーションを有効かつ有利な方法として確立する。
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