論文の概要: Efficient Qudit Circuit for Quench Dynamics of $2+1$D Quantum Link Electrodynamics
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.12589v1
- Date: Wed, 16 Jul 2025 19:16:49 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-07-18 20:10:24.253102
- Title: Efficient Qudit Circuit for Quench Dynamics of $2+1$D Quantum Link Electrodynamics
- Title（参考訳）: 2+1D量子リンク電磁力学のクエンチダイナミクスのための効率的な量子回路
- Authors: Rohan Joshi, Michael Meth, Jan C. Louw, Jesse J. Osborne, Kevin Mato, Martin Ringbauer, Jad C. Halimeh,
- Abstract要約: 本稿では,2+1$Dスピン-$S$$MathrmU(1)$量子リンク格子ゲージ理論を動的物質でシミュレーションする資源効率の手法を提案する。
ガウスの法則を通じて物質場を積分することにより、量子リンクモデルを純粋にクウディエンコーディングと互換性のあるスピン図形に再構成する。
我々のフレームワークは、量子リソースとゲート数を大幅に削減します。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.565395466029518
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: A major challenge in the burgeoning field of quantum simulation for high-energy physics is the realization of scalable $2+1$D lattice gauge theories on state-of-the-art quantum hardware, which is an essential step towards the overarching goal of probing $3+1$D quantum chromodynamics on a quantum computer. Despite great progress, current experimental implementations of $2+1$D lattice gauge theories are mostly restricted to relatively small system sizes and two-level representations of the gauge and electric fields. Here, we propose a resource-efficient method for quantum simulating $2+1$D spin-$S$ $\mathrm{U}(1)$ quantum link lattice gauge theories with dynamical matter using qudit-based quantum processors. By integrating out the matter fields through Gauss's law, we reformulate the quantum link model in a purely spin picture compatible with qudit encoding across arbitrary spatial dimensions, eliminating the need for ancillary qubits and reducing resource overhead. Focusing first on the spin-$1/2$ case, we construct explicit circuits for the full Hamiltonian and demonstrate through numerical simulations that the first-order Trotterized circuits accurately capture the quench dynamics even in the presence of realistic noise levels. Additionally, we introduce a general method for constructing coupling-term circuits for higher-spin representations $S>1/2$. Compared to conventional qubit encodings, our framework significantly reduces the number of quantum resources and gate count. Our approach significantly enhances scalability and fidelity for probing nonequilibrium phenomena in higher-dimensional lattice gauge theories, and is readily amenable to implementation on state-of-the-art qudit platforms.
- Abstract（参考訳）: 高エネルギー物理学における量子シミュレーションの急成長分野における大きな課題は、最先端の量子ハードウェア上でのスケーラブルな2+1$D格子ゲージ理論の実現である。
非常に進歩しているにもかかわらず、現在の2+1$D格子ゲージ理論の実験的実装は、主に比較的小さなシステムサイズとゲージと電場の2レベル表現に制限されている。
本稿では,2+1$Dスピン-$S$$\mathrm{U}(1)$量子リンク格子ゲージ理論と,量子プロセッサを用いた動的物質を用いた量子シミュレーション手法を提案する。
ガウスの法則を通した物質場の統合により、任意の空間次元にまたがるキュディエンコーディングと互換性のある純粋スピン図形で量子リンクモデルを再構成し、補助量子ビットの必要性を排除し、資源オーバーヘッドを低減する。
まずスピン=1/2$の場合に着目して、フルハミルトニアンのための明示的な回路を構築し、一階のトロッタライズド回路が現実的な雑音レベルが存在する場合でも、クエンチダイナミクスを正確に捉えることを数値シミュレーションで示す。
さらに,高スピン表現を$S>1/2$とする結合項回路の構成法を提案する。
従来の量子ビット符号化と比較して、我々のフレームワークは量子資源の数とゲート数を大幅に削減する。
提案手法は,高次元格子ゲージ理論における非平衡現象を求めるためのスケーラビリティと忠実さを著しく向上させ,最先端のquditプラットフォームの実装に容易に対応可能である。
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