論文の概要: Probing topological matter and fermion dynamics on a neutral-atom quantum computer
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2501.18554v1
- Date: Thu, 30 Jan 2025 18:32:23 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-01-31 15:13:41.863502
- Title: Probing topological matter and fermion dynamics on a neutral-atom quantum computer
- Title（参考訳）: 中性原子量子コンピュータにおけるトポロジカル物質とフェルミオンダイナミクスの探索
- Authors: Simon J. Evered, Marcin Kalinowski, Alexandra A. Geim, Tom Manovitz, Dolev Bluvstein, Sophie H. Li, Nishad Maskara, Hengyun Zhou, Sepehr Ebadi, Muqing Xu, Joseph Campo, Madelyn Cain, Stefan Ostermann, Susanne F. Yelin, Subir Sachdev, Markus Greiner, Vladan Vuletić, Mikhail D. Lukin,
- Abstract要約: 再構成可能な原子配列に基づく2次元フェルミオン系のためのディジタル量子シミュレーションアーキテクチャを実現する。
結果は、物質科学、化学、高エネルギー物理学のための複雑なフェルミオン系のデジタル量子シミュレーションの道を開く。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 27.84599956781646
- License:
- Abstract: Quantum simulations of many-body systems are among the most promising applications of quantum computers. In particular, models based on strongly-correlated fermions are central to our understanding of quantum chemistry and materials problems, and can lead to exotic, topological phases of matter. However, due to the non-local nature of fermions, such models are challenging to simulate with qubit devices. Here we realize a digital quantum simulation architecture for two-dimensional fermionic systems based on reconfigurable atom arrays. We utilize a fermion-to-qubit mapping based on Kitaev's model on a honeycomb lattice, in which fermionic statistics are encoded using long-range entangled states. We prepare these states efficiently using measurement and feedforward, realize subsequent fermionic evolution through Floquet engineering with tunable entangling gates interspersed with atom rearrangement, and improve results with built-in error detection. Leveraging this fermion description of the Kitaev spin model, we efficiently prepare topological states across its complex phase diagram and verify the non-Abelian spin liquid phase by evaluating an odd Chern number. We further explore this two-dimensional fermion system by realizing tunable dynamics and directly probing fermion exchange statistics. Finally, we simulate strong interactions and study dynamics of the Fermi-Hubbard model on a square lattice. These results pave the way for digital quantum simulations of complex fermionic systems for materials science, chemistry, and high-energy physics.
- Abstract（参考訳）: マルチボディシステムの量子シミュレーションは、量子コンピュータの最も有望な応用の一つである。
特に、強相関フェルミオンに基づくモデルは、量子化学と材料問題に対する理解の中心であり、物質のエキゾチックでトポロジカルな位相につながる可能性がある。
しかし、フェルミオンの非局所的な性質のため、そのようなモデルは量子ビットデバイスでシミュレートすることは困難である。
ここでは、再構成可能な原子配列に基づく2次元フェルミオン系のディジタル量子シミュレーションアーキテクチャを実現する。
我々は,ハニカム格子上でのKitaevモデルに基づくフェルミオン対量子ビットマッピングを用いて,長距離絡み状態を用いてフェルミオン統計を符号化する。
測定とフィードフォワードを効率よく行い,Floquetエンジニアリングによるその後のフェミオン進化を実現し,原子再構成を施した可変エンタングルゲートを作製し,組込み誤差検出による結果を改善する。
北エフスピンモデルのこのフェルミオン記述を利用することで、複素位相図全体にわたって位相状態を効率的に作成し、奇数のチャーン数を評価することで非アベリアスピン液相を検証する。
さらに、この2次元フェルミオンシステムについて、チューナブルダイナミクスを実現し、フェルミオン交換統計を直接探索することによって検討する。
最後に、強い相互作用をシミュレートし、正方格子上のフェルミ・ハッバードモデルの力学を研究する。
これらの結果は、物質科学、化学、高エネルギー物理学のための複雑なフェルミオン系のデジタル量子シミュレーションの道を開いた。
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