論文の概要: Quantum Simulation of the Real-time Dynamics in the multi-flavor Gross-Neveu Model at the utility scale using Superconducting Quantum Computers
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.05479v1
- Date: Wed, 06 May 2026 21:57:51 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-05-08 22:27:11.428318
- Title: Quantum Simulation of the Real-time Dynamics in the multi-flavor Gross-Neveu Model at the utility scale using Superconducting Quantum Computers
- Title（参考訳）: 超伝導量子コンピュータを用いた多変量グロス・ネヴェウモデルにおける実時間ダイナミクスの実用スケールでの量子シミュレーション
- Abstract要約: 1+1次元のマルチフレーバーGross-Neveuモデルのリアルタイムダイナミクスのための量子シミュレーションフレームワークを提案する。
我々は,全システムサイズではなく,フェミオンフレーバー数でステップごとの回路深度をスケールするハードウェア効率のトロッタライズを開発した。
この研究の中心的な貢献は、局所対角作用素近似 (Localized Diagonal Operator Approximation, LDOA) である。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.5315729179239637
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: We present a scalable quantum simulation framework for real-time dynamics of the multi-flavor Gross-Neveu model in 1+1 dimensions. Using superconducting quantum processors at utility scale, we develop a hardware-efficient Trotterization whose per-step circuit depth scales with fermion flavor number rather than total system size, enabling simulations beyond 100 qubits. A central contribution of this work is the Localized Diagonal Operator Approximation (LDOA), which systematically reduces the overhead associated with quartic interactions. We formulate diagonal unitary synthesis as a structured least-squares problem in phase space and obtain analytic solutions via the Moore-Penrose pseudoinverse. This formulation provides a principled and quantitatively controlled approximation: in the small Trotter-step regime, the unitary error is directly linked to the phase reconstruction error and vanishes asymptotically as the Trotter step size decreases. This establishes a clear mathematical foundation for the LDOA while significantly reducing two-qubit gate counts and circuit depth, and is broadly applicable to diagonal quantum operators with long-range structure, making it particularly well suited for quantum hardware with limited qubit connectivity. Using these techniques, we run large-scale simulations on IBM superconducting processors and study real-time observables, including density-density correlators. We benchmark against exact diagonalization and tensor network-based methods, finding strong agreement across system sizes. These results show that combining hardware-aware circuit design with rigorous approximations enables practical near-term simulation of interacting fermionic field theories and provides a scalable pathway toward more complex quantum field theory simulations.
- Abstract（参考訳）: 1+1次元のマルチフレーバーGross-Neveuモデルのリアルタイムダイナミクスのためのスケーラブルな量子シミュレーションフレームワークを提案する。
超伝導量子プロセッサを実用規模で使用し,100量子ビットを超えるシミュレーションを可能にするため,各ステップの回路深度をフェルミオンのフレーバー数でスケールするハードウェア効率のトロッタライゼーションを開発した。
この研究の中心的な貢献は、局所対角作用素近似 (Localized Diagonal Operator Approximation, LDOA) である。
位相空間における最小二乗構造問題として対角ユニタリ合成を定式化し、ムーア-ペンローズ擬逆法を用いて解析解を得る。
この定式化は原理的かつ定量的に制御された近似を与える:小さなトロッターステップ状態では、ユニタリ誤差は位相再構成誤差に直接リンクされ、トロッターステップサイズが減少するにつれて漸近的に消滅する。
このことは、2量子ゲート数と回路深さを著しく減少させながら、LDOAの明確な数学的基盤を確立し、長距離構造を持つ対角量子演算子に広く適用でき、量子ハードウェアに特に適している。
これらの技術を用いて、IBM超伝導プロセッサ上で大規模シミュレーションを行い、密度密度相関器を含むリアルタイムオブザーバブルの研究を行う。
我々は,正確な対角化とテンソルネットワークベースの手法に対してベンチマークを行い,システムサイズ間で強い一致を見いだした。
これらの結果から、ハードウェア対応回路設計と厳密な近似を組み合わせることで、相互作用するフェルミオン場の理論の実用的短期シミュレーションが可能になり、より複雑な量子場理論シミュレーションへのスケーラブルな経路を提供する。
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