論文の概要: Introduction of modelling radical pair quantum spin dynamics with tensor networks

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.22104v1
• Date: Fri, 26 Sep 2025 09:25:49 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-29 20:57:54.331755
• Title: Introduction of modelling radical pair quantum spin dynamics with tensor networks
• Title（参考訳）: テンソルネットワークを用いたラジカル対量子スピンダイナミクスのモデル化の導入
• Authors: Kentaro Hino, Damyan S. Frantzov, Yuki Kurashige, Lewis M. Antill,
• Abstract要約: 全ての核スピンを含むラジカル対スピンダイナミクスシミュレーションは、指数的スケーリングメモリ要求のために計算障壁となっている。 本稿では,ラジカル対系の全開量子力学を正確にシミュレーションするためのテンソルネットワーク手法を用いてこの問題に対処する。 我々はこれらの方法の生物学的に関連するフラビン-トリプトファンラジカル対系による効果を実証する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Radical pairs (also known as spin qubit pairs, electron-hole pairs) are transient reaction intermediates that are found and utilised in all areas of science. Radical pair spin dynamics simulations including all nuclear spins have been a computational barrier due to exponential scaling memory requirements. We address this issue with a tensor network method for accurately simulating the full open quantum dynamics of radical pair systems, explicitly accounting for hyperfine interactions with up to 30 nuclear spins with additional benchmarking including 60 nuclei. By employing the matrix product state (MPS) and matrix product density operator (MPDO) representations, we mitigate the exponential scaling of Hilbert and Liouville spaces typically encountered in full quantum non-Markovian treatments. We demonstrate the power of these methods with biologically relevant flavin-tryptophan radical pair systems, where we investigate electron hopping processes between multiple radical pairs using Lindblad jump operators. These simulations precisely capture anisotropic spin dynamics, clearly identifying orientational dependence of the magnetic field, which enhances or diminishes the spin-selective product yield. These directional sensitivities highlight the critical dependence of the nuclear environment and underscore the necessity of fully quantum treatments in spin biophysics, offering critical insights into avian magnetoreception mechanisms. This work provides a robust computational framework applicable to a broad range of scientific realms, which include spin chemistry, quantum biology, and spintronics.
• Abstract（参考訳）: ラジカル対(英: Radical pairs)またはスピン量子ビット対(英: spin qubit pairs, electron-hole pairs)は、科学のあらゆる分野で発見・活用される過渡反応中間体である。 全ての核スピンを含むラジカル対スピンダイナミクスシミュレーションは、指数的スケーリングメモリ要求のために計算障壁となっている。 本稿では, 最大30個の核スピンと60個の核を含む余分なベンチマークを含む超微細な相互作用を明示的に考慮し, ラジカル対系の全開量子力学を正確にシミュレーションするテンソルネットワーク手法を用いてこの問題に対処する。 行列積状態 (MPS) と行列積密度演算子 (MPDO) の表現を用いることで、ヒルベルト空間とリウヴィル空間の指数的スケーリングを緩和する。 そこで, リンドブラッドジャンプ演算子を用いた複数のラジカル対間の電子ホッピング過程について検討した。 これらのシミュレーションは異方性スピンのダイナミクスを正確に捉え、磁場の配向依存性を明確に同定し、スピン選択生成物の収量を高めるか減少させる。 これらの方向性の感度は、核環境の臨界依存性を強調し、スピン生物物理学における完全量子処理の必要性を強調し、鳥類の磁気受容機構に重要な洞察を与える。 この研究は、スピン化学、量子生物学、スピントロニクスを含む幅広い科学領域に適用可能な堅牢な計算フレームワークを提供する。

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