論文の概要: Programming optical-lattice Fermi-Hubbard quantum simulators
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2502.05067v1
- Date: Fri, 07 Feb 2025 16:40:58 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-02-10 14:55:14.026676
- Title: Programming optical-lattice Fermi-Hubbard quantum simulators
- Title（参考訳）: 光格子Fermi-Hubbard量子シミュレータのプログラミング
- Authors: Cristian Tabares, Christian Kokail, Peter Zoller, Daniel González-Cuadra, Alejandro González-Tudela,
- Abstract要約: 我々は異なるフェルミオンモデルのための基底状態準備アルゴリズムを開発した。
特に,我々はFermi-Hubbardモデルの基底状態を作成するために,変分プリコンパイルされた量子回路を最初に設計した。
本稿では,変分フェルミオン回路を用いた仮想時間進化の近似法について論じる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 39.58317527488534
- License:
- Abstract: Fermionic atoms in optical lattices provide a native implementation of Fermi-Hubbard (FH) models that can be used as analog quantum simulators of many-body fermionic systems. Recent experimental advances include the time-dependent local control of chemical potentials and tunnelings, and thus enable to operate this platform digitally as a programmable quantum simulator. Here, we explore these opportunities and develop ground-state preparation algorithms for different fermionic models, based on the ability to implement both single-particle and many-body, high-fidelity fermionic gates, as provided by the native FH Hamiltonian. In particular, we first design variational, pre-compiled quantum circuits to prepare the ground state of the natively implemented FH model, with significant speedups relative to competing adiabatic protocols. Besides, the versatility of this variational approach enables to target extended FH models, i.e., including terms that are not natively realized on the platform. As an illustration, we include next-nearest-neighbor tunnelings at finite dopings, relevant in the context of $d$-wave superconductivity. Furthermore, we discuss how to approximate the imaginary-time evolution using variational fermionic circuits, both as an alternative state-preparation strategy, and as a subroutine for the Quantum Lanczos algorithm to further improve the energy estimation. We benchmark our protocols for ladder geometries, though they can be readily applied to 2D experimental setups to address regimes beyond the capabilities of current classical methods. These results pave the way for more efficient and comprehensive explorations of relevant many-body phases with existing programmable fermionic quantum simulators.
- Abstract（参考訳）: 光格子中のフェルミオン原子は、多体フェルミオン系のアナログ量子シミュレータとして使用できるフェルミ・ハバードモデル(FH)のネイティブ実装を提供する。
最近の実験的進歩には、化学ポテンシャルとトンネルの時間依存的な局所制御が含まれており、プログラマブルな量子シミュレーターとしてデジタル的にこのプラットフォームを動作させることができる。
本稿では,これらの機会を探究し,FHハミルトニアンによって提供される単一粒子と多体高忠実フェミオンゲートの両方を実装する能力に基づいて,異なるフェルミオンモデルのための基底状態準備アルゴリズムを開発する。
特に,本研究では,まず変動型プリコンパイル量子回路を設計し,ネイティブ実装されたFHモデルの基底状態を作成し,競合するアディバティックプロトコルと比較して大幅な高速化を行う。
さらに、この変分アプローチの汎用性により、プラットフォーム上でネイティブに実現されていない用語を含む拡張FHモデルをターゲットにすることができる。
実例として, 有限ドーピングにおける次アネレスト近傍トンネルは, $d$-wave 超伝導の文脈に関係している。
さらに、変分フェルミオン回路を代替状態準備戦略として、また量子ランツォスアルゴリズムのサブルーチンとして、エネルギー推定をさらに改善するために、虚数時間進化を近似する方法について議論する。
はしごジオメトリのプロトコルをベンチマークするが、2次元の実験的な設定に容易に適用でき、現在の古典的手法の能力を超えるレシエーションに対処できる。
これらの結果は、既存のプログラム可能なフェルミオン量子シミュレータを用いて、関連する多体相のより効率的で包括的な探索の道を開く。
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