論文の概要: Scalable cold-atom quantum simulator of a $3+1$D U$(1)$ lattice gauge theory with dynamical matter
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2601.04345v1
- Date: Wed, 07 Jan 2026 19:32:05 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-01-09 17:01:52.886016
- Title: Scalable cold-atom quantum simulator of a $3+1$D U$(1)$ lattice gauge theory with dynamical matter
- Title（参考訳）: 動的物質を持つ3+1D U$(1)$格子ゲージ理論のスケーラブルな冷原子量子シミュレータ
- Authors: Simone Orlando, Guo-Xian Su, Bing Yang, Jad C. Halimeh,
- Abstract要約: 3次元の量子電磁力学のU$(1)$量子リンクモデルのスケーラブルなコールド原子量子シミュレータを提案する。
我々は, この量子シミュレータの性能を, 準平衡観測器および遠方平衡観測器を用いて評価し, 理想ゲージ理論と良好な一致を示した。
我々の発見は、古典的なシミュラビリティをはるかに超える3+1ドルの格子ゲージ理論の現実的な量子シミュレータへの道を開いた。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.197737368174698
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: The stated overarching goal of the highly active field of quantum simulation of high-energy physics (HEP) is to achieve the capability to study \textit{ab-initio} real-time microscopic dynamics of $3+1$D quantum chromodynamics (QCD). However, existing experimental realizations and theoretical proposals for future ones have remained restricted to one or two spatial dimensions. Here, we take a big step towards this goal by proposing a concrete experimentally feasible scalable cold-atom quantum simulator of a U$(1)$ quantum link model of quantum electrodynamics (QED) in three spatial dimensions, employing \textit{linear gauge protection} to stabilize gauge invariance. Using tree tensor network simulations, we benchmark the performance of this quantum simulator through near- and far-from-equilibrium observables, showing excellent agreement with the ideal gauge theory. Additionally, we introduce a method for \textit{analog quantum error mitigation} that accounts for unwanted first-order tunneling processes, vastly improving agreement between quantum-simulator and ideal-gauge-theory results. Our findings pave the way towards realistic quantum simulators of $3+1$D lattice gauge theories that can probe regimes well beyond classical simulability.
- Abstract（参考訳）: 高エネルギー物理学(HEP)の非常に活発な量子シミュレーションの目標は、3+1ドルの量子クロマトダイナミックス(QCD)のリアルタイム微視的ダイナミクスを研究する能力を達成することである。
しかし、既存の実験的な実現と将来のものに対する理論的提案は、まだ1つまたは2つの空間次元に制限されている。
ここでは、3次元の量子電磁力学(QED)のU$(1)の量子リンクモデルを用いた実験的に実現可能なスケーラブルなコールド原子量子シミュレータを提案し、ゲージ不変性を安定化するためにtextit{linear gauge protection} を用いる。
木テンソルネットワークシミュレーションを用いて、この量子シミュレータの性能を近・遠・平衡オブザーバブルを用いてベンチマークし、理想ゲージ理論と良好な一致を示した。
さらに、不要な1次トンネル過程を考慮に入れた \textit{analog quantum error mitigation} の手法を導入し、量子シミュレータと理想ゲージ理論の整合性を大幅に改善する。
我々の発見は、古典的なシミュラビリティをはるかに超越した状態の探索が可能な3+1D格子ゲージ理論の現実的な量子シミュレータへの道を開いた。
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