論文の概要: Variational Quantum Simulations of a Two-Dimensional Frustrated Transverse-Field Ising Model on a Trapped-Ion Quantum Computer

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2505.22932v1
• Date: Wed, 28 May 2025 23:20:20 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-05-30 18:14:07.579725
• Title: Variational Quantum Simulations of a Two-Dimensional Frustrated Transverse-Field Ising Model on a Trapped-Ion Quantum Computer
• Title（参考訳）: トラップ量子コンピュータを用いた2次元フラストレーション横場イジングモデルの変分量子シミュレーション
• Authors: Ammar Kirmani, Elijah Pelofske, Andreas Bärtschi, Stephan Eidenbenz, Jian-Xin Zhu,
• Abstract要約: 変分量子固有解法(VQE)を用いて、16のサイト(量子ビット)に対して周期的境界条件を持つ正方格子上の位相を計算する。 我々は、VQEが支配的な磁気相を見つけるのに成功する、このモデルの基底状態相転移に注目した。 実験により, フラストレーションモデルの磁気位相は, 基底状態エネルギー, エネルギー微分, スピン相関関数によってほぼ完全に回復することがわかった。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.6990493129893112
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum computers are an ideal platform to study the ground state properties of strongly correlated systems due to the limitation of classical computing techniques particularly for systems exhibiting quantum phase transitions. While the error rates of Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) computers are still high, simulating strongly correlated systems on such devices and extracting information of possible phases may be within reach. The frustrated transverse-field Ising model (TFIM) is such a system with multiple ordered magnetic phases. In this study, we simulate a two-dimensional frustrated TFIM with next-nearest-neighbor spin-exchange interactions at zero temperature. The competition between the nearest-neighbor ferromagnetic and next-nearest-neighbor antiferromagnetic coupling gives rise to frustration in the system. Moreover, the presence of quantum fluctuations makes the ground-state phase profile even richer. We use the Variational Quantum Eigensolver (VQE) to compute the phases on a square lattice with periodic boundary conditions for a system of 16 sites (qubits). The trained VQE circuits are compared to exact diagonalization, allowing us to extract error measures of VQE. We focus on the ground-state phase transitions of this model, where VQE succeeds in finding the dominant magnetic phases. The optimized VQE circuits are then executed on the Quantinuum H1-1 trapped-ion quantum computer without using any error mitigation techniques. Our experiments show near perfect recovery of the magnetic phases of the frustrated model through ground-state energy, the energy derivative, and the spin correlation functions. Thus, we show that the trapped-ion quantum processor is able to achieve reliable simulations of a strongly correlated system within the limitations of the VQE approach.
• Abstract（参考訳）: 量子コンピュータは、特に量子相転移を示すシステムにおいて古典的計算技術の限界により、強い相関を持つシステムの基底状態特性を研究するのに理想的なプラットフォームである。 ノイズの中間規模量子(NISQ)コンピュータの誤差率はまだ高いが、そのようなデバイス上の強い相関系をシミュレートし、可能な位相情報を抽出することは到達範囲内である可能性がある。 フラストレーションされた横磁場イジングモデル(TFIM)は、複数の順序の磁気位相を持つシステムである。 本研究では,next-nearest-neighbor spin-exchange interaction at zero temperatureという2次元フラストレーションTFIMをシミュレーションした。 隣り合う強磁性体と隣り合う反強磁性体との競合は、システムにフラストレーションをもたらす。 さらに、量子ゆらぎの存在により、基底状態の位相プロファイルはさらにリッチになる。 変分量子固有解器(VQE)を用いて、16のサイト(量子ビット)に対して周期的境界条件を持つ正方格子上の位相を計算する。 トレーニングされたVQE回路は、正確な対角化と比較され、VQEの誤差測定を抽出できる。 我々は、VQEが支配的な磁気相を見つけるのに成功する、このモデルの基底状態相転移に注目した。 最適化されたVQE回路は、エラー軽減技術を用いずに量子H1-1トラップイオン量子コンピュータ上で実行される。 実験により, フラストレーションモデルの磁気位相は, 基底状態エネルギー, エネルギー微分, スピン相関関数によってほぼ完全に回復することを示した。 そこで, 捕捉イオン量子プロセッサは, VQE手法の限界内で, 強相関系の信頼性シミュレーションを実現できることを示す。

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