論文の概要: Trapped-ion quantum simulation of the Fermi-Hubbard model as a lattice gauge theory using hardware-aware native gates
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2411.07778v1
- Date: Tue, 12 Nov 2024 13:21:12 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2024-11-13 13:20:20.243611
- Title: Trapped-ion quantum simulation of the Fermi-Hubbard model as a lattice gauge theory using hardware-aware native gates
- Title（参考訳）: ハードウェア対応ネイティブゲートを用いた格子ゲージ理論としてのフェルミ・ハバードモデルのトラップイオン量子シミュレーション
- Authors: Dhruv Srinivasan, Alex Beyer, Daiwei Zhu, Spencer Churchill, Kushagra Mehta, Sashank Kaushik Sridhar, Kushal Chakrabarti, David W. Steuerman, Nikhil Chopra, Avik Dutt,
- Abstract要約: トロタライズに基づく量子シミュレーションは将来性を示しているが、現在のハードウェアの実装はノイズによって制限されている。
Z2 LGTへのFermi-Hubbardモデルのマッピングが最近提案され、追加の対称性で保護された部分空間にダイナミクスを制限し、ノイズのある古典的シミュレーションによって選択後の誤差軽減の能力が検証された。
特に、反復事前条件勾配降下(IPG)とサブシステムフォン・ノイマンエントロピー圧縮の組み合わせにより、FHM量子シミュレーションの2ビットゲート数を35%削減する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.3370543514515051
- License:
- Abstract: The Fermi-Hubbard model (FHM) is a simple yet rich model of strongly interacting electrons with complex dynamics and a variety of emerging quantum phases. These properties make it a compelling target for digital quantum simulation. Trotterization-based quantum simulations have shown promise, but implementations on current hardware are limited by noise, necessitating error mitigation techniques like circuit optimization and post-selection. A mapping of the FHM to a Z2 LGT was recently proposed that restricts the dynamics to a subspace protected by additional symmetries, and its ability for post-selection error mitigation was verified through noisy classical simulations. In this work, we propose and demonstrate a suite of algorithm-hardware co-design strategies on a trapped-ion quantum computer, targeting two key aspects of NISQ-era quantum simulation: circuit compilation and error mitigation. In particular, a novel combination of iteratively preconditioned gradient descent (IPG) and subsystem von Neumann Entropy compression reduces the 2-qubit gate count of FHM quantum simulation by 35%, consequently doubling the number of simulatable Trotter steps when used in tandem with error mitigation based on conserved symmetries, debiasing and sharpening techniques. Our work demonstrates the value of algorithm-hardware co-design to operate digital quantum simulators at the threshold of maximum circuit depths allowed by current hardware, and is broadly generalizable to strongly correlated systems in quantum chemistry and materials science.
- Abstract（参考訳）: フェルミ・ハッバードモデル(Fermi-Hubbard model、FHM)は、複雑な力学と様々な量子相を持つ強い相互作用を持つ電子の単純なモデルである。
これらの性質は、デジタル量子シミュレーションの魅力的なターゲットとなっている。
トロタライズに基づく量子シミュレーションは将来性を示しているが、現在のハードウェアの実装はノイズ、回路最適化や後選択のようなエラー軽減技術によって制限されている。
FHMをZ2 LGTにマッピングする手法が最近提案され、追加の対称性で保護された部分空間に動力学を制限し、ノイズのある古典的シミュレーションによって選択後の誤差軽減の能力が検証された。
本研究では, NISQ時代の量子シミュレーションの2つの重要な側面, 回路のコンパイルとエラー軽減を対象とする, 捕捉されたイオン量子コンピュータ上でのアルゴリズム・ハードウェア共同設計戦略のスイートを提案し, 実証する。
特に、反復的に条件付き勾配降下(IPG)とサブシステムフォン・ノイマンエントロピー圧縮(英語版)の組み合わせは、FHM量子シミュレーションの2ビットゲート数を35%減らし、保存された対称性、偏り、シャープニング技術に基づく誤差軽減を伴うタンデムで使用する場合、シミュレート可能なトロッターステップの数を2倍にする。
本研究は, 量子化学と材料科学における相関の強いシステムに対して, 現在のハードウェアが許容する最大回路深さのしきい値において, ディジタル量子シミュレータを動作させるための, アルゴリズムとハードウェアの共設計の価値を実証するものである。
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