論文の概要: Optimized quantum algorithms for simulating the Schwinger effect
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.16831v1
- Date: Fri, 22 Aug 2025 23:09:02 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-08-26 18:43:45.196986
- Title: Optimized quantum algorithms for simulating the Schwinger effect
- Title（参考訳）: シュウィンガー効果のシミュレーションのための最適化量子アルゴリズム
- Authors: Angus Kan, Jessica Lemieux, Olga Okrut, Burak Şahinoğlu,
- Abstract要約: シュウィンガーモデルは1+1$の時空次元で格子量子電磁力学を記述する。
シュウィンガー効果が観測可能であることが期待される様々な物理状態について研究する。
高いカットオフスケールでシュウィンガー効果の信頼性シミュレーションが可能であることが判明した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: The Schwinger model, which describes lattice quantum electrodynamics in $1+1$ space-time dimensions, provides a valuable framework to investigate fundamental aspects of quantum field theory, and a stepping stone towards non-Abelian gauge theories. Specifically, it enables the study of physically relevant dynamical processes, such as the nonperturbative particle-antiparticle pairs production, known as the Schwinger effect. In this work, we analyze the quantum computational resource requirements associated with simulating the Schwinger effect under two distinct scenarios: (1) a quench process, where the initial state is a simple product state of a non-interacting theory, and interactions are turned on at time $t=0$; (2) a splitting (or scattering) process where two Gaussian states, peaked at given initial momenta, are shot away from (or towards) each other. We explore different physical regimes in which the Schwinger effect is expected to be observable. These regimes are characterized by initial momenta and coupling strengths, as well as simulation parameters such as lattice size and electric-field cutoffs. Leveraging known rigorous bounds for electric-field cutoffs, we find that a reliable simulation of the Schwinger effect is provably possible at high cutoff scales. Furthermore, we provide optimized circuit implementations of both the second-order Trotter formula and an interaction-picture algorithm based on the Dyson series to implement the time evolution. Our detailed resource estimates show the regimes in which the interaction-picture approach outperforms the Trotter approach, and vice versa. The improved theoretical error bounds, optimized quantum circuit designs, and explicitly compiled subroutines developed in this study are broadly applicable to simulations of other lattice models in high-energy physics and beyond.
- Abstract（参考訳）: シュウィンガーモデルは1+1$の時空次元で格子量子電磁力学を記述するもので、場の量子論の基礎的な側面を研究するための貴重な枠組みと、非アベリアゲージ理論へのステップストーンを提供する。
具体的には、シュウィンガー効果として知られる非摂動粒子-反粒子対の生成など、物理的に関連する動的過程の研究を可能にする。
本研究では、(1)初期状態が非相互作用理論の単純な積状態であり、相互作用が時として$t=0$; (2) ガウス状態が与えられた初期モーメントでピーク時にピークとなる2つのガウス状態が互いに(あるいは方向に向かって)切り離されるようなクエンチ過程と、相互作用がオンとなる2つのシナリオでシュウィンガー効果をシミュレートする量子計算資源要件を分析する。
シュウィンガー効果が観測可能であると期待される様々な物理状態について検討する。
これらの状態は、初期モータと結合強度、および格子サイズや電界遮断などのシミュレーションパラメータによって特徴づけられる。
電界遮断に対する既知の厳密な境界を利用して、高いカットオフスケールでシュウィンガー効果の信頼できるシミュレーションが可能であることを確かめる。
さらに,2次トロッター公式とダイソン級数に基づく相互作用画像アルゴリズムの両方の回路実装を最適化し,時間発展を実現する。
我々の詳細な資源推定は、インタラクション・ピクチャー・アプローチがトロッター・アプローチより優れている状況を示し、その逆も示している。
改良された理論誤差境界、最適化された量子回路設計、この研究で開発された明示的にコンパイルされたサブルーチンは、高エネルギー物理学などにおける他の格子モデルのシミュレーションに広く適用できる。
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