論文の概要: Quantum simulation approach to ultra-weak magnetic anisotropy in a frustrated spin-1/2 antiferromagnet

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.21974v2
• Date: Wed, 01 Oct 2025 07:26:51 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-02 14:33:21.784432
• Title: Quantum simulation approach to ultra-weak magnetic anisotropy in a frustrated spin-1/2 antiferromagnet
• Title（参考訳）: フラストレーションスピン-1/2反強磁性体における超弱磁気異方性への量子シミュレーションによる研究
• Authors: Ki Won Jeong, Jae Yeon Seo, Sunghyun Lim, Jae Min Hong, Hyeon Jun Ryu, Jongseok Byeon, Kyungsun Moon, Nara Lee, Young Jai Choi,
• Abstract要約: 磁気結晶異方性(MCA)は、実磁石の重要な特徴である。 我々はCuSb2O6におけるMCAの量子シミュレーションフレームワークを開発した。 本研究は, 実材料における複雑な磁性現象の, 資源効率のよい量子シミュレーションの実現可能性を示すものである。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.275358921334511
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The intrinsic equivalence between electron spin and qubit offers a natural foundation for quantum simulations of magnetic materials. However, incorporating magnetocrystalline anisotropy (MCA), a key feature of real magnets, remains a major challenge. Here, we develop a quantum simulation framework for MCA in CuSb2O6, a spin-1/2 antiferromagnet with alternating ferromagnetic chains arising from frustrated, anisotropic exchange interactions in a nearly square lattice. The $\mathrm{Cu}^{2+}$ spin network is modeled as a four-qubit square lattice, with four paired ancilla qubits introduced to encode angle-dependent MCA. This two-qubit representation per spin site resolves the limitation that squared Pauli operators yield only the identity, enabling MCA terms to be faithfully embedded into quantum circuits. Using the variational quantum eigensolver, we determine an exceptionally small easy-axis MCA constant, just 0.00022% of the nearest-neighbor exchange interaction, yet sufficient to drive a spin-flop transition with $90^{\circ}$ spin reorientation and strong angular variation in magnetic torque. Beyond this regime, the simulations uncover a half-saturated magnetic phase at ultra-high fields, stabilized by anisotropic next-nearest-neighbor interactions. Our findings demonstrate the feasibility of resource-efficient quantum simulations of complex magnetic phenomena in real materials.
• Abstract（参考訳）: 電子スピンと量子ビットの固有同値性は、磁性体の量子シミュレーションの自然な基礎となる。 しかし、実際の磁石の重要な特徴である磁気結晶異方性(MCA)を取り入れることは、依然として大きな課題である。 そこで我々は, ほぼ正方形格子内のフラストレーション, 異方性交換相互作用から生じる強磁性鎖が交互に生じるスピン1/2反強磁性体CuSb2O6におけるMCAの量子シミュレーションフレームワークを開発した。 $\mathrm{Cu}^{2+}$ スピンネットワークは、4量子正方格子としてモデル化され、4組のアンシラ量子ビットがエンコードされる。 このスピンサイト毎の2ビット表現は、正方形パウリ作用素がアイデンティティのみを生成できる限界を解決し、MCA項を量子回路に忠実に埋め込むことができる。 変分量子固有解法を用いて、最も近い隣り合う交換相互作用のわずか0.00022%の非常に小さな自在軸 MCA 定数を決定できるが、スピン再配向が$90^{\circ}$でスピン-フロップ遷移を駆動し、磁気トルクの強い角変化を生じさせるのに十分である。 この状態を超えて、シミュレーションにより超高磁場における半飽和磁気相が発見され、異方性次のアネレスト-隣の相互作用によって安定化される。 本研究は, 実材料における複雑な磁性現象の, 資源効率のよい量子シミュレーションの実現可能性を示すものである。

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