論文の概要: Classical simulation of free-fermionic dynamics and quantum chemistry with magic input
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2604.26813v1
- Date: Wed, 29 Apr 2026 15:42:59 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-04-30 15:59:36.468006
- Title: Classical simulation of free-fermionic dynamics and quantum chemistry with magic input
- Title（参考訳）: 魔法入力による自由フェルミオン動力学と量子化学の古典シミュレーション
- Authors: Changhun Oh, Michał Oszmaniec, Oliver Reardon-Smith, Zoltán Zimborás,
- Abstract要約: 対の非ガウス的フェルミオン状態に対して、量子シミュレーションプリミティブは、自由フェルミオン力学の下で加法誤差に効率的に近似できることを示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.15554979526414522
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Establishing the precise computational boundary between classically tractable fermionic systems and those capable of genuine quantum advantage is a central challenge in quantum simulation. While injecting non-Gaussian ``magic" inputs into free-fermion circuits is widely expected to generate intractable complexity, we identify a physically motivated intermediate regime. Supported by rigorous bounds and numerical evidence, we show that for a class of paired non-Gaussian fermionic states, essential quantum simulation primitives -- transition amplitudes, overlaps, and arbitrary-weight number correlators -- can be efficiently approximated to additive error under free-fermionic dynamics. This tractability stems from an algebraic reduction that compresses exponentially large multiparticle interference into a single coefficient of a multivariate Pfaffian polynomial. Because these classical estimators match the intrinsic $O(1/\sqrt{K})$ statistical uncertainty of quantum hardware utilizing $K$ measurement shots, they constitute a practical benchmark. Building on this foundation, we construct an additive-error estimator for high-weight Wilson observables in the noninteracting quench of recent trapped-ion experiments, providing a rigorous classical benchmark. Extending this to quantum chemistry, we demonstrate that core overlap-based subroutines for antisymmetrized products of strongly orthogonal geminals admit exact Pfaffian reductions. Ultimately, these results sharpen the boundary of quantum advantage, establishing that the paired-electron scaffold is effectively dequantized and clarifying exactly where quantum resources are indispensable.
- Abstract（参考訳）: 古典的に抽出可能なフェルミオン系と真の量子優位性を持つ系の正確な計算境界を確立することは、量子シミュレーションにおける中心的な課題である。
非ガウス的 ` `magic" 入力を自由フェルミオン回路に注入することは、難解な複雑さを引き起こすことが広く期待されているが、物理的に動機付けられた中間状態を特定する。
厳密な境界と数値的な証拠により、ペア化された非ガウスフェルミオン状態、必須量子シミュレーションプリミティブ(遷移振幅、重なり合い、任意の重み付き数相関器)のクラスは、自由フェルミオン力学の下での加法誤差に効率的に近似できることが示される。
このトラクタビリティは、指数関数的に大きな多粒子干渉を多変量プファフ多項式の1つの係数に圧縮する代数的還元に由来する。
これらの古典的推定器は、$O(1/\sqrt{K})$の量子ハードウェアの統計的不確実性と一致するため、実用的なベンチマークを構成する。
この基礎の上に構築され、近年の閉じ込められたイオン実験の非干渉クエンチにおいて、ウィルソン観測器の高重量化のための加算誤差推定器を構築し、厳密な古典的ベンチマークを提供する。
これを量子化学に拡張し、強直交性ゲミナルの反対称性生成物に対するコアオーバーラップベースのサブルーチンが、正確なプファフ還元を許容することを示した。
最終的に、これらの結果は量子優位性の境界を鋭くし、ペア化された電子足場が効果的に量子化され、量子資源が不可欠でない場所を明確にする。
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