論文の概要: End-to-End Complexity Analysis for Quantum Simulation of the Extended Jaynes-Cummings Models
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.13546v1
- Date: Tue, 16 Sep 2025 21:23:53 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-09-18 18:41:50.655481
- Title: End-to-End Complexity Analysis for Quantum Simulation of the Extended Jaynes-Cummings Models
- Title（参考訳）: 拡張Janes-Cummingsモデルの量子シミュレーションにおける終端複雑度解析
- Authors: Nam Nguyen, Michael Yu, Alan Robertson, Hiromichi Nishimura, Samuel J. Elman, Benjamin Koltenbah,
- Abstract要約: 本稿では,Jaynes-Cummingsモデル(eJCM)の量子シミュレーションのためのエンドツーエンドフレームワークを提案する。
我々は、システムの時間進化をシミュレートするための明示的な量子アルゴリズムと回路を開発する。
この研究は、将来の量子コンピュータ上でのeJCMをシミュレートするための完全なロードマップを確立する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.5789509846010574
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: The extended Jaynes-Cummings model (eJCM) is a foundational framework for describing multi-mode light-matter interactions, with direct applications in quantum technologies such as photon addition and quasi-noiseless amplification. However, the model's complexity makes classical simulation intractable for large systems that could be of practical interest. In this work, we present a comprehensive, end-to-end framework for the quantum simulation of the eJCM. We develop explicit quantum algorithms and circuits for simulating the system's time evolution using first and second-order product formulas, analyzing the dynamics in both the Schrodinger and interaction pictures. Our analysis includes rigorous, closed-form error bounds that guide the choice of simulation parameters, and we extend the methodology to efficiently handle both pure and mixed quantum states. Furthermore, we validate our theoretical cost models with numerical simulations and provide a detailed fault-tolerant resource analysis, compiling the simulation circuits for a surface-code architecture to yield concrete estimates for physical qubit counts and execution times. This work establishes a complete roadmap for simulating the eJCM on future quantum computers.
- Abstract（参考訳）: 拡張Jaynes-Cummingsモデル(eJCM)は、光子加算や準ノイズなし増幅といった量子技術に直接応用するマルチモード光-マター相互作用を記述するための基礎的なフレームワークである。
しかし、モデルの複雑さは、実際的な関心を持つ可能性のある大規模システムにとって古典的なシミュレーションを魅力的にしている。
本稿では,eJCMの量子シミュレーションのための包括的エンドツーエンドフレームワークを提案する。
我々は1階と2階の積公式を用いてシステムの時間発展をシミュレートするための明示的な量子アルゴリズムと回路を開発し、シュロディンガーと相互作用画像の両方のダイナミクスを解析する。
我々の分析には、シミュレーションパラメータの選択を導く厳密でクローズドなエラー境界が含まれており、純粋な量子状態と混合量子状態の両方を効率的に扱えるように方法論を拡張しています。
さらに, 数値シミュレーションによる理論的コストモデルの有効性を検証し, 物理量子ビット数と実行時間の具体的な推定値を得るために, 表面コードアーキテクチャのシミュレーション回路をコンパイルし, 詳細なフォールトトレラントリソース解析を行う。
この研究は、将来の量子コンピュータ上でのeJCMをシミュレートするための完全なロードマップを確立する。
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