論文の概要: Observation of hadron scattering in a lattice gauge theory on a quantum computer

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2505.20387v1
• Date: Mon, 26 May 2025 18:00:00 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-05-28 17:05:58.222966
• Title: Observation of hadron scattering in a lattice gauge theory on a quantum computer
• Title（参考訳）: 量子コンピュータ上の格子ゲージ理論におけるハドロン散乱の観測
• Authors: Julian Schuhmacher, Guo-Xian Su, Jesse J. Osborne, Anthony Gandon, Jad C. Halimeh, Ivano Tavernelli,
• Abstract要約: 我々は格子ゲージ理論(LGT)における散乱の最初の量子シミュレーションについて報告する。 具体的には、電子と陽電子の衝突ダイナミクスと1+1ドルの量子電磁力学(QED)を表す$mathrmU(1)$ LGTの中間子を量子シミュレーションする。 散乱過程の時間的進化を観察することにより、衝突後の2つの主要な状態を区別することができる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Scattering experiments are at the heart of high-energy physics (HEP), breaking matter down to its fundamental constituents, probing its formation, and providing deep insight into the inner workings of nature. In the current huge drive to forge quantum computers into complementary venues that are ideally suited to capture snapshots of far-from-equilibrium HEP dynamics, a major goal is to utilize these devices for scattering experiments. A major obstacle in this endeavor has been the hardware overhead required to access the late-time post-collision dynamics while implementing the underlying gauge symmetry. Here, we report on the first quantum simulation of scattering in a lattice gauge theory (LGT), performed on \texttt{IBM}'s \texttt{ibm\_marrakesh} quantum computer. Specifically, we quantum-simulate the collision dynamics of electrons and positrons as well as mesons in a $\mathrm{U}(1)$ LGT representing $1+1$D quantum electrodynamics (QED), uncovering rich post-collision dynamics that we can precisely tune with a topological $\Theta$-term and the fermionic mass. By monitoring the time evolution of the scattering processes, we are able to distinguish between two main regimes in the wake of the collision. The first is characterized by the delocalization of particles when the topological $\Theta$-term is weak, while the second regime shows localized particles with a clear signature when the $\Theta$-term is nontrivial. Furthermore, we show that by quenching to a small mass at the collision point, inelastic scattering occurs with a large production of matter reminiscent of quantum many-body scarring. Our work provides a major step forward in the utility of quantum computers for investigating the real-time quantum dynamics of HEP collisions.
• Abstract（参考訳）: 散乱実験は高エネルギー物理学(HEP)の中心であり、物質をその基本的な構成要素に分解し、その形成を探索し、自然の内部の働きについて深い洞察を与える。 現在、量子コンピュータを相補的な場所へとフォージし、非平衡なHEPダイナミクスのスナップショットを撮影するのに理想的である、という大きな推進力において、これらのデバイスを散乱実験に活用することが大きな目標である。 この取り組みにおける大きな障害は、下層のゲージ対称性を実装しながら、遅延時間ポストコリジョンダイナミクスにアクセスするのに必要なハードウェアオーバーヘッドである。 本稿では,格子ゲージ理論(LGT)における散乱の最初の量子シミュレーションについて報告する。 具体的には、電子と陽電子の衝突ダイナミクスと1+1ドルの量子電磁力学(QED)を表す$\mathrm{U}(1)$ LGTの中間子を量子シミュレーションし、トポロジカルな$\Theta$-termとフェルミオン質量で正確にチューニングできるリッチな衝突後のダイナミクスを明らかにする。 散乱過程の時間的進化を観察することにより、衝突後の2つの主要な状態を区別することができる。 第1の条件は、位相的$\Theta$-termが弱いときに粒子の非局在化を特徴とし、第2の規則は$\Theta$-termが非自明なときに明確な符号で局所化された粒子を示す。 さらに, 衝突点の微小質量に焼成することにより, 量子多体散乱を連想させる物質を大量に生成することで非弾性散乱が発生することを示す。 我々の研究は、HEP衝突のリアルタイム量子力学を研究するための量子コンピュータの利用において大きな進歩をもたらす。

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