論文の概要: Fast, accurate, high-resolution simulation of large-scale Fermi-Hubbard models on a digital quantum processor
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.04025v1
- Date: Tue, 05 May 2026 17:49:07 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-05-06 19:35:44.070377
- Title: Fast, accurate, high-resolution simulation of large-scale Fermi-Hubbard models on a digital quantum processor
- Title（参考訳）: ディジタル量子プロセッサを用いた大規模Fermi-Hubbardモデルの高速高精度高分解能シミュレーション
- Authors: Gavin S. Hartnett, Khadijeh Sona Najafi, Aleksei Khindanov, Haoran Liao, Michael Schutzman, Michael R. Hush, Michael J. Biercuk, Yuval Baum,
- Abstract要約: 超伝導量子プロセッサ上での1次元Fermi-Hubbardモデルのディジタル量子シミュレーションについて報告する。
我々は、回路の複雑さを低減する効率的なマッピングにより、最大120キュービットでこの問題をエンコードする。
最大90段のトロッターステップを用いて動的進化をシミュレートするために,誤差抑制による精度の向上を行う。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.182919491659049
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: We report experimental digital quantum simulation of the one-dimensional Fermi-Hubbard model on a superconducting quantum processor at a scale beyond the reach of exact statevector simulation and challenging for state-of-the-art tensor-network methods. We encode this problem using up to 120 qubits through an efficient mapping that reduces circuit complexity, and we improve accuracy through error suppression to simulate dynamical evolution using up to 90 Trotter steps. From a vacancy defect introduced in the middle of an $L=31$-site (62-qubit) Néel initial state, we directly observe spin-charge separation to $t=9$ in natural units using up to 90 Trotter steps, and quantitatively extract velocity ratios $v_c/v_s$ which match classical simulations across a range of model parameters. We then extend experiments to $L=60$ (120 qubits) and long evolution times to $t=6$ using 30 Trotter steps; Quantum-processor outputs agree quantitatively with approximate classical simulations performed using a time-dependent variational principle (TDVP) solver; increasing the TDVP bond dimension through $χ= 4096$ expands the range of evolution times within which agreement has RMSE $\sim 1\%$ before the approaches diverge. Owing to the large scale of the simulation and the use of efficient overhead-free error-suppression techniques, for simulated evolution times at the limit of quantum/classical agreement ($t\gtrsim 5$ in natural hopping units), the wall-clock runtime of the quantum processor is up to $3000\times$ faster than an optimized TDVP simulation using $χ= 4096$. These results establish contemporary digital quantum processors as a versatile, quantitatively accurate, and competitive platform for the study of fermionic many-body dynamics in regimes where leading classical methods can become prohibitively expensive.
- Abstract（参考訳）: 本稿では,超伝導量子プロセッサ上での1次元フェルミ・ハバードモデルの数値シミュレーション実験について報告する。
我々は、回路の複雑さを低減させる効率的なマッピングにより、最大120量子ビットでこの問題を符号化し、最大90個のトロッターステップを用いて動的進化をシミュレートするために、エラー抑制による精度を向上させる。
L=31$-site (62-qubit) ネールの初期状態の途中で導入された空孔欠陥から、90段までのトロッターステップを用いてスピンチャージ分離を$t=9$まで直接観察し、古典シミュレーションに一致する速度比$v_c/v_s$を定量的に抽出する。
量子プロセッサの出力は、時間依存変動原理(TDVP)ソルバを用いて実行される近似古典シミュレーションと定量的に一致し、TDVP結合の次元を$=4096$で増加させることで、RMSE$\sim 1\%$が分岐する前にRMSE$\sim 1\%$となる進化時間の範囲を広げる。
シミュレーションの大規模化と効率的なオーバヘッドフリーなエラー抑圧技術の使用により、量子/古典的合意(英語版)(t\gtrsim 5$ in natural hopping units)の限界における進化時間(英語版)(t\gtrsim 5$ in natural hopping units)をシミュレートした。
これらの結果は、先進的な古典的手法が違法に高価になるレジームにおけるフェルミオン多体ダイナミクスの研究のための、汎用的で定量的かつ競争的なプラットフォームとして、現代のデジタル量子プロセッサを確立している。
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