論文の概要: Programmable digital quantum simulation of 2D Fermi-Hubbard dynamics using 72 superconducting qubits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.26845v1
• Date: Thu, 30 Oct 2025 10:58:00 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-11-03 17:52:15.865876
• Title: Programmable digital quantum simulation of 2D Fermi-Hubbard dynamics using 72 superconducting qubits
• Title（参考訳）: 72量子ビットを用いた2次元フェルミ・ハバードダイナミクスのプログラム可能なディジタル量子シミュレーション
• 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: 格子サイズの2D Fermi-Hubbardモデルのシミュレーションを実装した。 この結果から,多体相互作用電子モデルのプログラマブル量子シミュレーションが,現在最先端の量子ハードウェアと競合していることが示された。
• 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: Simulating the time-dynamics of quantum many-body systems was the original use of quantum computers proposed by Feynman, motivated by the critical role of quantum interactions between electrons in the properties of materials and molecules. Accurately simulating such systems remains one of the most promising applications of general-purpose digital quantum computers, in which all the parameters of the model can be programmed and any desired physical quantity output. However, performing such simulations on today's quantum computers at a scale beyond the reach of classical methods requires advances in the efficiency of simulation algorithms and error mitigation techniques. Here we demonstrate programmable digital quantum simulation of the dynamics of the 2D Fermi-Hubbard model -- one of the best-known simplified models of electrons in crystalline solids -- at a scale beyond exact classical simulation. We implement simulations of this model on lattice sizes up to $6\times 6$ using 72 qubits on Google's Willow quantum processor, across a range of physical parameters, including on-site electron-electron interaction strength and magnetic flux, and study phenomena including formation of magnetic polarons, i.e. charge carriers surrounded by local magnetic polarisation, dynamical symmetry breaking in stripe-ordered states, attraction of charge carriers on an entangled state known as a valence bond solid, and the approach to equilibrium through thermalisation. We validate our results against exact calculations in parameter regimes where these are feasible, and compare them to approximate classical simulations performed using tensor network and operator propagation methods. Our results demonstrate that programmable digital quantum simulation of many-body interacting electron models is now competitive on state-of-the-art quantum hardware.
• Abstract（参考訳）: 量子多体系の時間力学のシミュレーションは、ファインマンによって提唱された量子コンピュータの原型であり、物質や分子の性質における電子間の量子相互作用の重要な役割に動機づけられた。 このようなシステムの正確なシミュレートは、汎用デジタル量子コンピュータの最も有望な応用の1つであり、モデルの全パラメータをプログラムし、任意の物理量出力を出力することができる。 しかし、今日の量子コンピュータ上で、古典的手法の範囲を超えて、そのようなシミュレーションを実行するには、シミュレーションアルゴリズムとエラー軽減技術の効率性の向上が必要である。 ここでは、2次元フェルミ-ハッバード模型(結晶固体中の電子の最もよく知られた単純化されたモデルの一つ)の力学のプログラム可能なデジタル量子シミュレーションを、正確な古典的シミュレーション以上のスケールで示す。 このモデルのシミュレーションは、Googleのウィロー量子プロセッサで72キュービットを使用した最大6\times 6$の格子サイズで、オンサイト電子-電子相互作用強度と磁束を含む様々な物理パラメータ、磁気ポーラロンの形成を含む現象、すなわち、局所的な磁極化、ストリップ配位状態における動的対称性の破れ、価結合固体として知られる絡み合った状態における電荷キャリアの誘引、熱拡散による平衡へのアプローチを含む。 我々は,これらが実現可能なパラメータ系における正確な計算結果に対して検証を行い,テンソルネットワークと演算子伝搬法による近似古典シミュレーションと比較した。 この結果から,多体相互作用電子モデルのプログラマブル量子シミュレーションが,現在最先端の量子ハードウェアと競合していることが示された。

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