論文の概要: Quantum simulations of nuclear resonances with variational methods

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.11685v1
• Date: Wed, 16 Apr 2025 01:01:56 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-04-17 14:38:39.933836
• Title: Quantum simulations of nuclear resonances with variational methods
• Title（参考訳）: 変分法による核共鳴の量子シミュレーション
• Authors: Ashutosh Singh, Pooja Siwach, P. Arumugam,
• Abstract要約: この研究は、非エルミート・ハミルトニアンと互換性のある変分フレームワークを開発することで、量子アルゴリズムを用いて核共鳴をシミュレートすることを目的としている。 複雑なスケーリング手法を用いて、古典的な共鳴位置を抽出し、2段階のアルゴリズムを用いて量子シミュレーションに適応する。 その結果、核系の共鳴現象をシミュレートするためのスケーラブルで効率的な量子フレームワークが確立された。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.740992908651449
• License:
• Abstract: The many-body nature of nuclear physics problems poses significant computational challenges. These challenges become even more pronounced when studying the resonance states of nuclear systems, which are governed by the non-Hermitian Hamiltonian. Quantum computing, particularly for quantum many-body systems, offers a promising alternative, especially within the constraints of current noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices. This work aims to simulate nuclear resonances using quantum algorithms by developing a variational framework compatible with non-Hermitian Hamiltonians and implementing it fully on a quantum simulator. We employ the complex scaling technique to extract resonance positions classically and adapt it for quantum simulations using a two-step algorithm. First, we transform the non-Hermitian Hamiltonian into a Hermitian form by using the energy variance as a cost function within a variational framework. Second, we perform theta-trajectory calculations to determine optimal resonance positions in the complex energy plane. To address resource constraints on NISQ devices, we utilize Gray Code (GC) encoding to reduce qubit requirements. We first validate our approach using a schematic potential model that mimics a nuclear potential, successfully reproducing known resonance energies with high fidelity. We then extend the method to a more realistic alpha-alpha nuclear potential and compute the resonance energies with a basis size of 16, using only four qubits. This study demonstrates, for the first time, that the complete theta-trajectory method can be implemented on a quantum computer without relying on any classical input beyond the Hamiltonian. The results establish a scalable and efficient quantum framework for simulating resonance phenomena in nuclear systems. This work represents a significant step toward quantum simulations of open quantum systems.
• Abstract（参考訳）: 核物理学の問題の多体性は、重大な計算上の問題を引き起こす。 これらの課題は、非エルミート・ハミルトニアンによって統治される核系の共鳴状態を研究する際にさらに顕著になる。 量子コンピューティング(特に量子多体系)は、特に現在のノイズの多い中間スケール量子(NISQ)デバイスの制約の中で、有望な代替手段を提供する。 この研究は、非エルミート・ハミルトニアンと互換性のある変分フレームワークを開発し、量子シミュレータで完全に実装することで、量子アルゴリズムを用いて核共鳴をシミュレートすることを目的としている。 複雑なスケーリング手法を用いて、古典的な共鳴位置を抽出し、2段階のアルゴリズムを用いて量子シミュレーションに適応する。 まず、非エルミートハミルトニアンを、変動フレームワーク内のコスト関数としてエネルギー分散を用いることで、エルミート形式に変換する。 第二に、複素エネルギー平面における最適共振位置を決定するために、テータ軌道計算を行う。 NISQデバイス上でのリソース制約に対処するために、我々は、Gray Code(GC)エンコーディングを使用して、キュービット要求を減らす。 我々はまず、原子核ポテンシャルを模倣し、高忠実度で既知の共鳴エネルギーを再現するスキーマポテンシャルモデルを用いて、我々のアプローチを検証する。 提案手法はより現実的なアルファアルファ原子核ポテンシャルに拡張し, 基本サイズ16の共振エネルギーを4量子ビットで計算する。 本研究は、ハミルトニアン以外の古典的な入力に頼ることなく、量子コンピュータ上で完全なtheta-trajectory法を実装できることを初めて示す。 その結果、核系の共鳴現象をシミュレートするためのスケーラブルで効率的な量子フレームワークが確立された。 この研究は、オープン量子系の量子シミュレーションに向けた重要なステップである。

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