論文の概要: Quantum simulation of the Hubbard model on a graphene hexagon: Strengths of IQPE and noise constraints
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.05031v2
- Date: Fri, 05 Sep 2025 04:23:27 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-09-08 14:27:25.180821
- Title: Quantum simulation of the Hubbard model on a graphene hexagon: Strengths of IQPE and noise constraints
- Title（参考訳）: グラフェン六角形上のハバードモデルの量子シミュレーション:IQPEの強度と雑音制約
- Authors: Mohammad Mirzakhani, Kyungsun Moon,
- Abstract要約: In thissimulated the Hubbard model on a six-site graphene hexagon using Qiskit。
雑音のないシミュレーションでは、IQPEは数イテレーション以内に正確な基底状態エネルギーに収束する。
我々は, IBM の ibm_strasbourg および ibm_fez デバイス上に IQPE アルゴリズムを実装し, 還元された 3 サイト Hubbard モデルを提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Quantum computing offers transformative potential for simulating real-world materials, providing a powerful platform to investigate complex quantum systems across quantum chemistry and condensed matter physics. In this work, we leverage this capability to simulate the Hubbard model on a six-site graphene hexagon using Qiskit, employing the Iterative Quantum Phase Estimation (IQPE) and adiabatic evolution algorithms to determine its ground-state properties. Our results show that a single Slater determinant is sufficient to initialize IQPE and accurately recover ground-state energies (GSEs) in small-scale Hubbard systems. In noiseless simulations, IQPE converges within a few iterations to exact GSEs, while adiabatic simulations yield charge and spin densities and correlation functions in excellent agreement with exact diagonalization. However, deploying IQPE and adiabatic evolution on today's noisy quantum hardware remains highly challenging. To investigate these limitations in IQPE, we use the Qiskit Aer simulator with a custom noise model tailored to the characteristics of IBM's real hardware. This model includes realistic depolarizing gate errors, thermal relaxation, and readout noise, allowing us to explore how these factors degrade simulation accuracy. Further, we implement the IQPE algorithm on IBM's ibm_strasbourg and ibm_fez devices for a reduced three-site Hubbard model, enabling direct comparison between simulated and real hardware noise. While ibm_fez runs closely match exact results, discrepancies highlight the gap between modeled and physical noise. This study demonstrates both the IQPE's potential and current limitations for simulating strongly correlated systems under realistic conditions.
- Abstract（参考訳）: 量子コンピューティングは、現実世界の物質をシミュレートするための変換ポテンシャルを提供し、量子化学と凝縮物質物理学にわたる複雑な量子システムを研究する強力なプラットフォームを提供する。
本研究では,この能力を利用して,Qiskitを用いた6サイトグラフェンヘキサゴン上のHubbardモデルをシミュレートし,Iterative Quantum Phase Estimation (IQPE)とAdiabatic Evolution Algorithmを用いて基底状態特性を推定する。
以上の結果から, 1つのスレーター行列式がIQPEを初期化し, 小型ハバードシステムにおける基底状態エネルギー(GSE)を正確に回収するのに十分であることが示唆された。
ノイズレスシミュレーションでは、IQPEは数イテレーションで正確なGSEに収束するが、断熱シミュレーションでは電荷とスピン密度、相関関数は正確な対角化とよく一致している。
しかし、今日のノイズの多い量子ハードウェアにIQPEとアダバティック進化をデプロイすることは、依然として非常に困難である。
IQPEにおけるこれらの制限を調査するために、IBMの実際のハードウェアの特徴に合わせたカスタムノイズモデルを備えたQiskit Aerシミュレータを使用する。
このモデルには、現実的な非偏極ゲート誤差、熱緩和、読み出しノイズが含まれており、これらの要因がシミュレーションの精度を劣化させる方法について検討することができる。
さらに, IBM の ibm_strasbourg と ibm_fez デバイス上で IQPE アルゴリズムを実装し, シミュレーションと実ハードウェアのノイズを直接比較する。
ibm_fezは正確な結果と密に一致しているが、差はモデル化されたノイズと物理的ノイズのギャップを浮き彫りにする。
本研究は,現実的な条件下での強相関系シミュレーションにおけるIQPEのポテンシャルと現在の限界の両方を実証する。
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