論文の概要: First- and Second-Order Digital Quantum Simulation of Three-Level Jaynes-Cummings Dynamics on Superconducting Quantum Processors
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2602.20614v1
- Date: Tue, 24 Feb 2026 07:06:52 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-02-25 17:34:53.639189
- Title: First- and Second-Order Digital Quantum Simulation of Three-Level Jaynes-Cummings Dynamics on Superconducting Quantum Processors
- Title（参考訳）: 超伝導量子プロセッサ上の3レベルJanes-Cummingsダイナミクスの1次及び2次ディジタル量子シミュレーション
- Authors: J. Thirunirai Selvam, S. Saravana Veni, Ria Rushin Joseph,
- Abstract要約: 本研究では,Jaynes-Cummingsモデルに基づく単一モード電磁場と相互作用する3レベル原子系のディジタル量子シミュレーションを提案する。
量子ビットは原子状態を表すために2つの物理量子ビットを用いて符号化され、追加の量子ビットはトランケートされたフィールドモードを符号化する。
スズキ・トロッター分解による進化の離散化により, 連続時間光-マター相互作用をデジタル形式で実現した。
- 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: This work presents a digital quantum simulation of a three-level atomic system interacting with a single-mode electromagnetic field based on the Jaynes-Cummings model, implemented on IBM Quantum superconducting processors. A qutrit is encoded using two physical qubits to represent the atomic states, while an additional qubit encodes the truncated field mode, enabling the realization of effective $Λ$-type atomic dynamics.The continuous-time light-matter interaction is implemented in a digital form by discretizing the evolution using Suzuki-Trotter decomposition. In contrast to an analog realization, the digital simulation replaces the continuous evolution with a sequence of quantum gates whose parameters are explicitly controlled. Phase evolution arising from the interaction Hamiltonian is digitally encoded using calibrated $R_Z$ gates, whose rotation angles are fixed by the physically relevant coupling scale and the chosen Trotter time step.State preparation is achieved using Hadamard and parametrized rotation gates, while the interaction dynamics are implemented through controlled operations. A comparative analysis between first- and second-order Trotter implementations reveals a trade-off between digital accuracy and hardware-induced noise. Overall, the results demonstrate that calibrated gate operations and noise-aware circuit design enable reliable digital simulation of multi-level light-matter interactions on noisy intermediate-scale quantum platforms.
- Abstract（参考訳）: 本研究は、IBM量子超伝導プロセッサ上に実装されたJaynes-Cummingsモデルに基づいて、単一モードの電磁場と相互作用する3レベル原子系のディジタル量子シミュレーションを示す。
量子ビットは原子状態を表すために2つの物理量子ビットを用いて符号化され、追加の量子ビットはtruncated場モードを符号化し、有効$=$-typeの原子動力学の実現を可能にする。
アナログ実現とは対照的に、デジタルシミュレーションは連続的な進化をパラメータが明示的に制御される量子ゲートの列に置き換える。
相互作用ハミルトニアンから生じる位相進化は、物理的に関連するカップリングスケールと選択されたトロッター時間ステップによって回転角が固定される調整された$R_Z$ゲートを用いてデジタル符号化され、ハミルトニアンとパラメトリゼーションされた回転ゲートを用いて状態準備を行い、相互作用ダイナミクスは制御操作によって実装される。
1階と2階のTrotter実装の比較分析により、デジタル精度とハードウェアによるノイズとのトレードオフが明らかになった。
その結果, キャリブレーションゲート動作とノイズ対応回路設計により, ノイズの多い中規模量子プラットフォーム上でのマルチレベル光-マター相互作用の信頼性の高いディジタルシミュレーションが可能となった。
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