論文の概要: Ab Initio Polaritonic Chemistry on Diverse Quantum Computing Platforms: Qubit, Qudit, and Hybrid Qubit-Qumode Architectures

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.12504v2
• Date: Wed, 18 Jun 2025 16:04:27 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-19 13:10:45.352968
• Title: Ab Initio Polaritonic Chemistry on Diverse Quantum Computing Platforms: Qubit, Qudit, and Hybrid Qubit-Qumode Architectures
• Title（参考訳）: 量子コンピューティングプラットフォームにおけるAb Initio Polaritonic Chemistry:Qubit, Qudit, Hybrid Qubit-Qumode Architectures
• Authors: Even Chiari, Wafa Makhlouf, Lucie Pepe, Emiel Koridon, Johanna Klein, Bruno Senjean, Benjamin Lasorne, Saad Yalouz,
• Abstract要約: 量子プラットフォーム上でのフェルミオンおよびボゾン自由度を表すための3つの戦略について検討する。 我々のアプローチの鍵となる要素は、コンパクトな電子-光子エンタングリング回路の開発である。 以上の結果から,各プラットフォームは極性エネルギーと固有状態の予測において,同等の精度を達成できることが示唆された。
• 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: Trying to export ab initio polaritonic chemistry onto emerging quantum computers raises fundamental questions. A central one is how to efficiently represent both fermionic and bosonic degrees of freedom on the same platform, in order to develop computational strategies that can accurately capture strong electron-photon correlations at a reasonable cost for implementation on near-term hardware. Given the hybrid fermion-boson nature of polaritonic problem, one may legitimately ask: should we rely exclusively on conventional qubit-based platforms, or consider alternative computational paradigms? To explore this, we investigate in this work three strategies: qubit-based, qudit-based, and hybrid qubit-qumode approaches. For each platform, we design compact, physically motivated quantum circuit ans\"{a}tze and integrate them within the state-averaged variational quantum eigensolver to compute multiple polaritonic eigenstates simultaneously. A key element of our approach is the development of compact electron-photon entangling circuits, tailored to the native capabilities and limitations of each hardware architecture. We benchmark all three strategies on a cavity-embedded H$_{2}$ molecule, reproducing characteristic phenomena such as light-induced avoided crossings. Our results show that each platform achieves comparable accuracy in predicting polaritonic eigen-energies and eigenstates. However, with respect to quantum resources required the hybrid qubit-qumode approach offers the most favorable tradeoff between resource efficiency and accuracy, followed closely by the qudit-based method. Both of which outperform the conventional qubit-based strategy. Our work presents a hardware-conscious comparison of quantum encoding strategies for polaritonic systems and highlights the potential of higher-dimensional quantum platforms to simulate complex light-matter systems.
• Abstract（参考訳）: 新興量子コンピュータに初期偏光化学を輸出しようとすると、根本的な疑問が浮き彫りになる。 中心となるのは、同じプラットフォーム上でフェルミオンとボゾンの自由度の両方を効率的に表現する方法であり、短期ハードウェア上で実装する上で妥当なコストで強い電子-光子相関を正確に捉えることができる計算戦略を開発することである。 偏光性問題のハイブリッドフェルミオン-ボソンの性質を考えると、正当に問うことができる: 従来の量子ビットベースのプラットフォームにのみ依存すべきか、代替の計算パラダイムを考えるべきか? そこで本研究では,qubit-based,qudit-based, hybrid qubit-qumodeの3つの戦略について検討する。 各プラットフォームに対して、コンパクトで物理的に動機付けられた量子回路 ans\"{a}tze を設計し、それらを状態平均変動量子固有解器に統合し、複数の分極固有状態を同時に計算する。 我々のアプローチの重要な要素は、各ハードウェアアーキテクチャのネイティブ機能や制限に合わせて、コンパクトな電子-光子エンタングリング回路を開発することである。 キャビティ埋め込みH$_{2}$分子上での3つの戦略の全てをベンチマークし、光誘起回避交差などの特性現象を再現した。 以上の結果から,各プラットフォームは極性エネルギーと固有状態の予測において,同等の精度を達成できることが示唆された。 しかし、量子リソースに関して、ハイブリッド量子モードアプローチは、資源効率と精度の最も好ましいトレードオフを提供する。 どちらも従来のqubitベースの戦略より優れています。 我々の研究は、偏光系における量子符号化戦略のハードウェアによる比較を行い、複雑な光物質系をシミュレートする高次元量子プラットフォームの可能性を強調した。

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