論文の概要: Universal Dynamics with Globally Controlled Analog Quantum Simulators
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.19075v1
- Date: Tue, 26 Aug 2025 14:36:32 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-08-27 17:42:38.885183
- Title: Universal Dynamics with Globally Controlled Analog Quantum Simulators
- Title（参考訳）: グローバル制御アナログ量子シミュレータを用いたユニバーサルダイナミクス
- Authors: Hong-Ye Hu, Abigail McClain Gomez, Liyuan Chen, Aaron Trowbridge, Andy J. Goldschmidt, Zachary Manchester, Frederic T. Chong, Arthur Jaffe, Susanne F. Yelin,
- Abstract要約: アナログ量子シミュレータの幅広いクラスは、実際には普遍的であることを示す。
実験には、直接量子最適制御という新しい制御手法を導入する。
この手法により、複素実効ハミルトニアンの合成が可能となり、現実的なハードウェア制約を組み込むことができる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 9.43766597189957
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Analog quantum simulators with global control fields have emerged as powerful platforms for exploring complex quantum phenomena. Recent breakthroughs, such as the coherent control of thousands of atoms, highlight the growing potential for quantum applications at scale. Despite these advances, a fundamental theoretical question remains unresolved: to what extent can such systems realize universal quantum dynamics under global control? Here we establish a necessary and sufficient condition for universal quantum computation using only global pulse control, proving that a broad class of analog quantum simulators is, in fact, universal. We further extend this framework to fermionic and bosonic systems, including modern platforms such as ultracold atoms in optical superlattices. Crucially, to connect the theoretical possibility with experimental reality, we introduce a new control technique into the experiment - direct quantum optimal control. This method enables the synthesis of complex effective Hamiltonians and allows us to incorporate realistic hardware constraints. To show its practical power, we experimentally engineer three-body interactions outside the blockade regime and demonstrate topological dynamics on a Rydberg atom array. Using the new control framework, we overcome key experimental challenges, including hardware limitations and atom position fluctuations in the non-blockade regime, by identifying smooth, short-duration pulses that achieve high-fidelity dynamics. Experimental measurements reveal dynamical signatures of symmetry-protected-topological edge modes, confirming both the expressivity and feasibility of our approach. Our work opens a new avenue for quantum simulation beyond native hardware Hamiltonians, enabling the engineering of effective multi-body interactions and advancing the frontier of quantum information processing with globally-controlled analog platforms.
- Abstract（参考訳）: 大域的な制御場を持つアナログ量子シミュレータは、複雑な量子現象を探索する強力なプラットフォームとして登場した。
何千もの原子のコヒーレントな制御のような最近のブレークスルーは、スケールでの量子応用の可能性の増大を浮き彫りにしている。
これらの進歩にもかかわらず、基本的な理論的問題は未解決のままであり、そのようなシステムは、グローバルコントロールの下で普遍的な量子力学をどの程度実現できるのか?
ここでは、大域的なパルス制御のみを用いて、普遍的な量子計算に必要な十分条件を確立し、アナログ量子シミュレータの幅広いクラスが、実際には普遍的であることを証明した。
我々はさらにこの枠組みを、超格子中の超低温原子のような近代的なプラットフォームを含むフェルミオン系とボソニック系に拡張する。
重要なことは、理論的可能性と実験現実を結びつけるために、実験に新しい制御技術、直接量子最適制御を導入することである。
この手法により、複素実効ハミルトニアンの合成が可能となり、現実的なハードウェア制約を組み込むことができる。
実効性を示すために,ブロック機構以外の3体相互作用を実験的に設計し,Rydberg原子アレイ上でのトポロジ的ダイナミクスを実証した。
ハードウェアの制限や非ブロッケード系における原子位置のゆらぎといった実験的な課題を,高忠実度ダイナミクスを実現するスムーズな短パルスを同定することで克服する。
実験により,対称性を保護したトポロジカルエッジモードの動的シグネチャが明らかとなり,その表現性と実現可能性の両立が確認された。
我々の研究は、ネイティブハードウェア以上の量子シミュレーションの新たな道を開き、効果的な多体インタラクションのエンジニアリングを可能にし、グローバル制御されたアナログプラットフォームによる量子情報処理のフロンティアを前進させる。
関連論文リスト
- Quantum criticality and nonequilibrium dynamics on a Lieb lattice of Rydberg atoms [0.14166588946879632]
中性原子量子シミュレータは、強く相互作用する多体系の探索に有望なアプローチを提供する。
我々は、リーブ格子上に配置されたレイドバーグ原子の配列を研究することによって、そのような量子シミュレータ上でアクセス可能な豊富な現象の集合を実証する。
論文 参考訳（メタデータ） (2025-08-07T18:00:00Z) - Harnessing quantum chaos in spin-boson models for all-purpose quantum-enhanced sensing [4.327903548212366]
多体量子カオスは、絡み合った状態の準備を加速するツールとして大きなポテンシャルを持っている。
我々のアプローチは技術的ノイズや不完全性に対して堅牢であることを示し、複雑な絡み合った状態を利用する新たな機会を開く。
論文 参考訳（メタデータ） (2024-10-04T23:14:10Z) - Robust Hamiltonian Engineering for Interacting Qudit Systems [50.591267188664666]
我々は、強く相互作用するキューディット系のロバストな動的疎結合とハミルトン工学の定式化を開発する。
本研究では,これらの手法を,スピン-1窒素空洞中心の強相互作用・無秩序なアンサンブルで実験的に実証した。
論文 参考訳（メタデータ） (2023-05-16T19:12:41Z) - Measuring Arbitrary Physical Properties in Analog Quantum Simulation [0.5999777817331317]
アナログ量子シミュレーションにおける中心的な課題は、実験で生成された量子状態の望ましい物理的性質を特徴づけることである。
本稿では,汎用量子力学のエルゴード特性を利用したスケーラブルなプロトコルの提案と解析を行う。
我々のプロトコルは、制限された制御性を克服し、短期量子技術の汎用性と実用性を高めることをエキサイティングに約束する。
論文 参考訳（メタデータ） (2022-12-05T19:00:01Z) - Multi-squeezed state generation and universal bosonic control via a
driven quantum Rabi model [68.8204255655161]
ボゾン自由度に対する普遍的な制御は、量子ベース技術の探求において鍵となる。
ここでは、駆動量子ラビモデルを介して、ボソニックモードの興味と相互作用する単一の補助的な2レベルシステムを考える。
ガウス門と非ガウス門の大きな類を決定論的に実現することは十分であることを示す。
論文 参考訳（メタデータ） (2022-09-16T14:18:53Z) - Preparing random states and benchmarking with many-body quantum chaos [48.044162981804526]
時間に依存しないハミルトン力学の下で自然にランダム状態アンサンブルの出現を予測し、実験的に観察する方法を示す。
観測されたランダムアンサンブルは射影測定から現れ、より大きな量子系のサブシステムの間に構築された普遍的相関に密接に関連している。
我々の研究は、量子力学におけるランダム性を理解するための意味を持ち、より広い文脈でのこの概念の適用を可能にする。
論文 参考訳（メタデータ） (2021-03-05T08:32:43Z) - Simulation of Collective Neutrino Oscillations on a Quantum Computer [117.44028458220427]
本稿では,現在発生している量子デバイスを用いたニュートリノ相互作用系の最初のシミュレーションを行う。
量子ビットの自然接続における制限を克服し、それをリアルタイムに絡み合いの進化を追跡する戦略を導入する。
論文 参考訳（メタデータ） (2021-02-24T20:51:25Z) - Experimental implementation of universal holonomic quantum computation
on solid-state spins with optimal control [12.170408456188934]
室温でのダイヤモンド中の固体スピンを用いた非断熱ホロノミック量子計算を実験的に実装した。
従来の幾何学的手法と比較して、ホロノミックな単一量子ビットと2量子ビットの量子論理ゲートの普遍的な集合の忠実度が向上する。
この研究は、現実的なシステムにおけるフォールトトレラントでスケーラブルな量子計算に向けて重要な一歩を踏み出す。
論文 参考訳（メタデータ） (2021-02-18T09:02:02Z) - Entanglement transfer, accumulation and retrieval via quantum-walk-based
qubit-qudit dynamics [50.591267188664666]
高次元システムにおける量子相関の生成と制御は、現在の量子技術の展望において大きな課題である。
本稿では,量子ウォークに基づく移動・蓄積機構により,$d$次元システムの絡み合った状態が得られるプロトコルを提案する。
特に、情報を軌道角運動量と単一光子の偏光度にエンコードするフォトニック実装について述べる。
論文 参考訳（メタデータ） (2020-10-14T14:33:34Z)
関連論文リストは本サイト内にある論文のタイトル・アブストラクトから自動的に作成しています。
指定された論文の情報です。
本サイトの運営者は本サイト（すべての情報・翻訳含む）の品質を保証せず、本サイト（すべての情報・翻訳含む）を使用して発生したあらゆる結果について一切の責任を負いません。