論文の概要: Fermionic dynamics on a trapped-ion quantum computer beyond exact classical simulation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.26300v1
• Date: Thu, 30 Oct 2025 09:39:02 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-31 16:05:09.740483
• Title: Fermionic dynamics on a trapped-ion quantum computer beyond exact classical simulation
• Title（参考訳）: 古典シミュレーションを超越した量子コンピュータにおけるフェルミオン動力学
• Authors: Faisal Alam, Jan Lukas Bosse, Ieva Čepaitė, Adrian Chapman, Laura Clinton, Marcos Crichigno, Elizabeth Crosson, Toby Cubitt, Charles Derby, Oliver Dowinton, Paul K. Faehrmann, Steve Flammia, Brian Flynn, Filippo Maria Gambetta, Raúl García-Patrón, Max Hunter-Gordon, Glenn Jones, Abhishek Khedkar, Joel Klassen, Michael Kreshchuk, Edward Harry McMullan, Lana Mineh, Ashley Montanaro, Caterina Mora, John J. L. Morton, Dhrumil Patel, Pete Rolph, Raul A. Santos, James R. Seddon, Evan Sheridan, Wilfrid Somogyi, Marika Svensson, Niam Vaishnav, Sabrina Yue Wang, Gethin Wright,
• Abstract要約: 本稿では,量子コンピュータのシステムモデルH2を用いた効率的な量子シミュレーションアルゴリズムを提案する。 周期的スピンフル2Dフェルミ・ハバードモデルに焦点をあて、スピン電荷分離の証拠を示す。 この結果から,強い相関電子系をシミュレーションするための量子コンピューティングの利用が示唆された。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.024486319744627862
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Simulation of the time-dynamics of fermionic many-body systems has long been predicted to be one of the key applications of quantum computers. Such simulations -- for which classical methods are often inaccurate -- are critical to advancing our knowledge and understanding of quantum chemistry and materials, underpinning a wide range of fields, from biochemistry to clean-energy technologies and chemical synthesis. However, the performance of all previous digital quantum simulations has been matched by classical methods, and it has thus far remained unclear whether near-term, intermediate-scale quantum hardware could offer any computational advantage in this area. Here, we implement an efficient quantum simulation algorithm on Quantinuum's System Model H2 trapped-ion quantum computer for the time dynamics of a 56-qubit system that is too complex for exact classical simulation. We focus on the periodic spinful 2D Fermi-Hubbard model and present evidence of spin-charge separation, where the elementary electron's charge and spin decouple. In the limited cases where ground truth is available through exact classical simulation, we find that it agrees with the results we obtain from the quantum device. Employing long-range Wilson operators to study deconfinement of the effective gauge field between spinons and the effective potential between charge carriers, we find behaviour that differs from predictions made by classical tensor network methods. Our results herald the use of quantum computing for simulating strongly correlated electronic systems beyond the capacity of classical computing.
• Abstract（参考訳）: フェルミオン多体系の時間力学のシミュレーションは、量子コンピュータの重要な応用の1つであると長い間予測されてきた。 古典的な手法がしばしば不正確であるこのようなシミュレーションは、生化学からクリーンエネルギー技術、化学合成に至るまで、幅広い分野の基盤となる量子化学と物質の知識と理解を促進するために重要である。 しかし、これまでの全てのデジタル量子シミュレーションの性能は古典的手法で一致しており、この領域で短期的な中間規模量子ハードウェアが何らかの計算上の優位性を提供できるかどうかはまだ不明である。 本稿では, 56量子ビット系の時間ダイナミクスに対して, 量子化系モデルH2の量子コンピュータ上での効率的な量子シミュレーションアルゴリズムを実装した。 我々は、周期的なスピンフル2Dフェルミ-ハッバードモデルに焦点をあて、素電子の電荷とスピン分離が生じるスピンチャージ分離の証拠を示す。 厳密な古典的シミュレーションによって基底真理が利用できる限られた場合において、量子デバイスから得られる結果と一致することが分かる。 スピノン間の有効ゲージ場と電荷キャリア間の有効ポテンシャルの分解を研究するために、長距離ウィルソン作用素を用いると、古典的なテンソルネットワーク法による予測とは異なる振る舞いが見つかる。 この結果から,古典的計算能力を超える相関の強い電子システムをシミュレーションするための量子コンピューティングの利用が示唆された。

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