論文の概要: A unified framework for efficient quantum simulation of nonlinear spectroscopy

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2604.16164v1
• Date: Fri, 17 Apr 2026 15:34:18 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-04-20 22:00:19.98046
• Title: A unified framework for efficient quantum simulation of nonlinear spectroscopy
• Title（参考訳）: 非線形分光の効率的な量子シミュレーションのための統一的枠組み
• Authors: Long Xiong, Xiaoyang Wang, Xiaoxia Cai, Xiao Yuan,
• Abstract要約: 我々は、$n$-次非線形分光法を計算するための統一量子アルゴリズムフレームワークを提案する。 我々は、IBMの超伝導量子プロセッサのフレームワークを検証する。 本研究は,短期量子デバイス上で複雑な量子力学を探索するための実用的でスケーラブルな経路を構築した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.604168730080541
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Nonlinear spectroscopy is a cornerstone of quantum science, providing unique access to multi-point correlations, quantum coherence, and couplings that are invisible to linear methods. However, classical simulation of these phenomena is fundamentally limited by the exponential growth of the Hilbert space, and practical quantum algorithms for the nonlinear regime have remained largely unexplored. Here, we present a unified quantum algorithmic framework for computing $n$-th order nonlinear spectroscopies. By reformulating multi-time responses as a weighted sum of expectation values at finite pump amplitudes via a generalized parameter shift rule, our approach bypasses the costly evaluation of high-order commutators and time-dependent operator expansions. This reformulation enables efficient execution via real-time evolution on current quantum hardware, ensuring inherent noise resilience. We validate the framework on IBM's superconducting quantum processors, successfully obtain higher-order response functions of a 12-qubit XXZ spin-chain. Furthermore, the versatility of our method is demonstrated by resolving quasi-particle excitation spectra in spin-liquids and identifying interaction-induced cross-peaks in atomic systems. Our results establish a practical and scalable pathway for probing complex quantum dynamics on near-term quantum devices, extending the reach of quantum simulation into the nonlinear domain.
• Abstract（参考訳）: 非線形分光法は量子科学の基盤であり、線形法では見えない多点相関、量子コヒーレンス、結合へのユニークなアクセスを提供する。 しかし、これらの現象の古典的なシミュレーションはヒルベルト空間の指数関数的成長によって基本的に制限され、非線形状態の実用的な量子アルゴリズムは、ほとんど未解明のままである。 ここでは、$n$-次非線形分光法を計算するための統一量子アルゴリズムフレームワークを提案する。 一般化されたパラメータシフト則を用いて,有限ポンプ振幅における期待値の重み付け和として多時間応答を再構成することにより,高次演算子のコスト評価や時間依存演算子拡張を回避できる。 この改質により、現在の量子ハードウェア上でのリアルタイム進化による効率的な実行が可能となり、固有のノイズレジリエンスが保証される。 我々は、IBMの超伝導量子プロセッサ上でのフレームワークを検証し、12量子ビットXXZスピンチェーンの高次応答関数を得ることに成功した。 さらに, スピン液体中の準粒子励起スペクトルを解明し, 原子系の相互作用誘起クロスピークを同定することにより, 本手法の汎用性を実証した。 本研究は, 量子力学を近距離量子デバイス上で探索するための実用的でスケーラブルな経路を構築し, 量子シミュレーションの到達範囲を非線形領域に拡張した。

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