論文の概要: Low-Resource Quantum Energy Gap Estimation via Randomization
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2601.13881v1
- Date: Tue, 20 Jan 2026 11:53:29 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-01-21 22:47:23.293586
- Title: Low-Resource Quantum Energy Gap Estimation via Randomization
- Title（参考訳）: ランダム化による低リソース量子ギャップ推定
- Authors: Hugo Pages, Chusei Kiumi, Yuto Morohoshi, Bálint Koczor, Kosuke Mitarai,
- Abstract要約: 量子多体系のエネルギースペクトルを推定することは量子物理学の基本的な課題である。
本稿では,確率アングル補間(TE-PAI)による時間進化をシャドウ分光フレームワークに統合するハイブリッド量子古典プロトコルを提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Estimating the energy spectra of quantum many-body systems is a fundamental task in quantum physics, with applications ranging from chemistry to condensed matter. Algorithmic shadow spectroscopy is a recent method that leverages randomized measurements on time-evolved quantum states to extract spectral information. However, implementing accurate time evolution with low-depth circuits remains a key challenge for near-term quantum hardware. In this work, we propose a hybrid quantum-classical protocol that integrates Time Evolution via Probabilistic Angle Interpolation (TE-PAI) into the shadow spectroscopy framework. TE-PAI enables the simulation of time evolution using shallow stochastic circuits while preserving unbiased estimates through quasiprobability sampling. We construct the combined estimator and derive its theoretical properties. Through numerical simulations, we demonstrate that our method accurately resolves energy gaps and exhibits enhanced robustness to gate noise compared to standard Trotter-based shadow spectroscopy. We further validate the protocol experimentally on up to 20 qubits using IBM quantum hardware. This makes TE-PAI shadow spectroscopy a promising tool for spectral analysis on noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices.
- Abstract（参考訳）: 量子多体系のエネルギースペクトルを推定することは、化学から凝縮物質まで、量子物理学の基本的な課題である。
アルゴリズム陰影分光法は、時間進化量子状態のランダム化測定を利用してスペクトル情報を抽出する手法である。
しかし、低深度回路で正確な時間発展を実現することは、短期量子ハードウェアにとって重要な課題である。
本研究では,確率角補間(TE-PAI)による時間進化をシャドウ分光フレームワークに統合するハイブリッド量子古典プロトコルを提案する。
TE-PAIは、準確率サンプリングによる不偏推定を保ちながら、浅い確率回路を用いた時間進化のシミュレーションを可能にする。
我々は合成推定器を構築し、その理論的性質を導出する。
数値シミュレーションにより,提案手法はエネルギーギャップを正確に解き,標準のトロッター型影分光法と比較してゲートノイズに対する強靭性を示すことを示した。
さらに、IBM量子ハードウェアを用いて、最大20量子ビットのプロトコルを実験的に検証する。
これによりTE-PAIシャドウ分光法は、ノイズの多い中間スケール量子(NISQ)デバイス上でのスペクトル分析に有望なツールとなる。
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