論文の概要: A Quantum Walk Inspired Qubit Lattice Algorithm for Simulating Electromagnetic Wave Propagation and Scattering in Conservative and Dissipative Magnetized Plasmas
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2503.24211v1
- Date: Mon, 31 Mar 2025 15:28:41 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-04-01 14:33:27.692914
- Title: A Quantum Walk Inspired Qubit Lattice Algorithm for Simulating Electromagnetic Wave Propagation and Scattering in Conservative and Dissipative Magnetized Plasmas
- Title（参考訳）: 電磁波伝搬・散乱シミュレーションのための量子ウォークインスパイアされた量子ビット格子アルゴリズム
- Authors: Efstratios Koukoutsis, Kyriakos Hizanidis, George Vahala, Christos Tsironis, Abhay K. Ram, Min Soe, Linda Vahala,
- Abstract要約: 我々は、電磁プラズマ中の不均一性から電磁波の伝搬と散乱をシミュレートするのに適した、空間時間、離散的な量子ウォークインスパイアされたアルゴリズムを提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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- Abstract: Based on the Dirac representation of Maxwell equations we present an explicit, discrete space-time, quantum walk-inspired algorithm suitable for simulating the electromagnetic wave propagation and scattering from inhomogeneities within magnetized plasmas. The quantum walk is implemented on a lattice with an internal space of $n_q=4$--qubits, used to encode the classical field amplitudes. Unitary rotation gates operate within this internal space to generate the non-trivial dynamics of the free plasma-Dirac equation. To incorporate the contributions from the cyclotron and plasma density terms--manifesting as inhomogeneous potential terms--in the plasma-Dirac equation, the walk process is complemented with unitary potential operators. This leads to a unitary qubit lattice sequence that recovers the plasma-Dirac equation under a second-order accurate discretization scheme. The proposed algorithm is explicit and demonstrates, in the worst case, a polynomial quantum advantage compared to the Finite Difference Time Domain (FDTD) classical method in terms of resource requirements and error complexity. In addition, we extend the algorithm to include dissipative effects by introducing a phenomenological collision frequency between plasma species. Then, a post-selective time-marching implementation scheme is delineated, featuring a non-vanishing overall success probability and, subsequently, eliminating the need for amplitude amplification of the output state while preserving the quantum advantage.
- Abstract（参考訳）: マクスウェル方程式のディラック表現に基づいて、磁化プラズマ中の不均一性から電磁波の伝搬と散乱をシミュレートするのに適した、明示的で離散的な時空量子ウォークインスパイアされたアルゴリズムを提案する。
量子ウォークは内部空間が$n_q=4$-量子ビットの格子上に実装され、古典的な場の振幅を符号化する。
単位回転ゲートはこの内部空間内で動作し、自由プラズマ-ディラック方程式の非自明なダイナミクスを生成する。
サイクロトロンおよびプラズマ密度項の寄与を、プラズマ-ディラック方程式において不均一ポテンシャル項として定義する — に組み込むため、ウォーク過程はユニタリポテンシャル作用素と補完される。
これにより、二階精度の正確な離散化スキームの下でプラズマ・ディラック方程式を復元するユニタリ量子ビット格子列が導かれる。
提案アルゴリズムは明示的であり、最悪の場合、資源要求とエラーの複雑さの観点からFDTD(Finite Different Time Domain)古典的手法と比較して多項式量子優位性を示す。
さらに, プラズマ種間の現象的衝突頻度を導入することにより, 散逸効果を含むアルゴリズムを拡張した。
そして、非消滅的な全体的な成功確率を特徴とし、その後、量子的優位性を維持しながら出力状態の振幅増幅の必要性を排除した、選択後の時間マーチング実装スキームをデライン化する。
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