論文の概要: Quantum Algorithm Framework for Phase-Contrast Transmission Electron Microscopy Image Simulation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2602.13438v1
• Date: Fri, 13 Feb 2026 20:26:27 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-02-17 14:17:28.031689
• Title: Quantum Algorithm Framework for Phase-Contrast Transmission Electron Microscopy Image Simulation
• Title（参考訳）: 位相コントラスト透過電子顕微鏡画像シミュレーションのための量子アルゴリズムフレームワーク
• Authors: Sean D. Lam, Roberto dos Reis,
• Abstract要約: 本稿では、位相コントラスト透過電子顕微鏡(CTEM)画像形成をシミュレーションするための量子アルゴリズムフレームワークを提案する。 このフレームワークは、CTEM理論から量子回路への物理地上マッピングを提供する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.16114012813668935
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: We present a quantum algorithmic framework for simulating phase-contrast transmission electron microscopy (CTEM) image formation using a fault-tolerant, gate-based quantum circuit model. The electron wavefield on an $N\times N$ grid is amplitude-encoded into a $2\log_2 N$-qubit register. Free-space propagation and objective-lens aberrations are implemented via two-dimensional quantum Fourier transforms (QFTs) and diagonal phase operators in reciprocal space, while specimen interaction is modeled under the weak phase object approximation (WPOA) as a position-dependent phase grating. We validate projected potentials, contrast transfer function (CTF) behavior, and image contrast trends against classical multislice simulations for MoS$_2$ over experimentally relevant parameters, and provide resource estimates and key assumptions that determine end-to-end runtime. While extracting complete $N\times N$ intensity images requires $O(N^2/ε^2)$ measurements that preclude advantage for full-image reconstruction, the framework enables quantum advantage for tasks requiring Fourier-space queries, global image statistics, or phase-coherent observables inaccessible to classical intensity-only detection. This framework provides a physics-grounded mapping from CTEM theory to quantum circuits and establishes a baseline for extending toward full multislice and inelastic scattering models.
• Abstract（参考訳）: 本稿では、位相コントラスト透過電子顕微鏡(CTEM)画像形成を、フォールトトレラントゲートベース量子回路モデルを用いてシミュレーションするための量子アルゴリズムフレームワークを提案する。 N$グリッド上の電子波動場は振幅符号化され、2.log_2 N$-qubitレジスタに符号化される。 2次元量子フーリエ変換(QFT)と対角相演算子(対角相演算子)によって、自由空間の伝播と対物レンズ収差が実現される一方、標本相互作用は、位置依存位相格子として弱相オブジェクト近似(WPOA)の下でモデル化される。 我々は,MoS$_2$に対する予測ポテンシャル,コントラスト伝達関数(CTF)の挙動,および画像コントラストの傾向を実験的パラメータよりも検証し,資源推定とエンドツーエンドランタイムを決定する重要な仮定を提供する。 完全な$N\times N$強度画像の抽出には、フルイメージ再構成の利点を損なう$O(N^2/ε^2)$測定が必要であるが、このフレームワークは、フーリエ空間クエリ、グローバル画像統計、位相コヒーレントな可観測物が古典的な強度のみの検出に到達できないタスクに対して量子的優位性を実現する。 このフレームワークは、CTEM理論から量子回路への物理基底マッピングを提供し、完全なマルチスライスおよび非弾性散乱モデルへ拡張するためのベースラインを確立する。

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