論文の概要: Quantum Simulation and Energy Estimation for Discretized Anharmonic oscillator
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.20907v1
- Date: Thu, 25 Sep 2025 08:49:09 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-09-26 20:58:12.799124
- Title: Quantum Simulation and Energy Estimation for Discretized Anharmonic oscillator
- Title（参考訳）: 離散化アンハーモニック発振器の量子シミュレーションとエネルギー推定
- Authors: Saurav Suman, Bikash K. Behera, Vivek Vyas, Prasanta k. Panigrahi,
- Abstract要約: フィルタに基づく設計とトフォリゲートを備えた量子回路は、量子状態の進化を追跡するために構築される。
エネルギー推定には、2ローカルアンサッツと変分量子デフレレーション(VQD)を備えた変分量子固有解器(VQE)を用いる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.0079626733116613
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
- Abstract: Anharmonic potential quantum system play crucial role in physics as they provide a more realistic description of oscillatory phenomena, which often deviate from the idealized harmonic model. However, simulating such system on classical computers is highly challenging due to nonlinear interactions, large state spaces, and the exponential scaling of memory and computational resources. In this work, quantum simulation is employed to model a quantum anharmonic oscillator (QAHO) using a 3-qubit system implemented on IBM's Quantum Experiences platform. A quantum circuit with a filter-based design and Toffoli gates is constructed to track quantum state evolution, capturing key phenomena like quantum revival. The framework is further extended to n-qubit system to enhance resolution and scalability. For energy estimation, the Variational Quantum Eigensolver (VQE) with a TwoLocal ansatz and variational Quantum Deflation (VQD), are used to compute ground and excited state energies. The proposed approach achieves high accuracy with an error of only 1.11% compared to exact methods. Notably, VQE outperforms classical approximations such as perturbation theory (error 6.71%) and the Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) approximation(error 5.36%), yielding more precise energy values. These results highlight the potential of quantum simulation and VQD as effective tools for investigating complex quantum system, paving the way for future application in quantum chemistry and materials science as quantum hardware continues to advance.
- Abstract（参考訳）: アンハーモニックポテンシャル量子系は、しばしば理想化された調和モデルから逸脱する振動現象のより現実的な記述を提供するため、物理学において重要な役割を果たす。
しかし, 従来の計算機上でのシミュレーションは, 非線形相互作用, 大規模状態空間, メモリと計算資源の指数的スケーリングなどにより, 極めて困難である。
この研究では、量子アンハーモニック振動子(QAHO)をIBMの量子経験プラットフォーム上に実装された3量子システムを用いてモデル化するために量子シミュレーションが用いられる。
フィルタに基づく設計とトフォリゲートを備えた量子回路は、量子状態の進化を追跡するために構築され、量子回復のような重要な現象を捉えている。
このフレームワークはさらにn-qubitシステムに拡張され、解像度とスケーラビリティが向上した。
エネルギー推定には、2ローカルアンサッツと変分量子デフレレーション(VQD)を備えた変分量子固有解法(VQE)が用いられる。
提案手法は精度が高く,誤差は1.11%である。
特に、VQEは摂動理論(エラー6.71%)やウェンツェル・クラマーズ・ブリユーイン(WKB)近似(エラー5.36%)といった古典的な近似よりも優れており、より正確なエネルギー値が得られる。
これらの結果は、複雑な量子システムを研究する効果的なツールとしての量子シミュレーションとVQDの可能性を強調し、量子ハードウェアが進歩を続けるにつれて、将来の量子化学や材料科学への応用の道を開く。
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