論文の概要: Preparing thermal states of frustrated quantum spin systems using 139 qubits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.26245v1
• Date: Mon, 25 May 2026 18:12:10 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-05-27 17:51:41.309059
• Title: Preparing thermal states of frustrated quantum spin systems using 139 qubits
• Title（参考訳）: 139量子ビットを用いたフラストレーション量子スピン系の準備
• Authors: Roland C. Farrell, Yongtao Zhan, Lucas Katschke, Lode Pollet, Ilan T. Rosen, Jad C. Halimeh,
• Abstract要約: ディジタル量子コンピュータを用いたフラストレーションスピンシステムの散逸熱状態生成について検討する。 最大79ドルのスピンと60ドルの環境量子ビットを結合したカゴメ格子上にAFIMの近似熱状態を作成する。 2量子ゲートの1000層以上の回路で持続する、調整可能な有効温度で安定な定常状態の出現を観察する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.04160553294239361
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Finite-temperature properties of strongly correlated quantum matter are central to condensed matter, chemistry, and high-energy physics, yet are often inaccessible to classical methods such as quantum Monte Carlo (QMC). Here, we investigate dissipative thermal state preparation of frustrated spin systems using digital quantum computers. We focus on two paradigmatic models on the kagome lattice: the antiferromagnetic Heisenberg model (AFHM), whose finite-temperature properties are inaccessible to QMC due to a severe sign problem, and the antiferromagnetic Ising model (AFIM), which serves as a sign-problem-free benchmark. Using IBM quantum processors, we prepare approximate thermal states of the AFIM on kagome lattices with up to $79$ spins coupled to $60$ environment qubits. We observe the emergence of a robust steady state with an adjustable effective temperature that persists in circuits with over 1000 layers of two-qubit gates. We further study the scalability of the dissipative protocol through classical statevector simulations of the AFIM and AFHM. On lattices with up to 24 sites, we find that the circuit depth to reach thermal equilibrium is independent of system size and grows at most linearly with inverse temperature. These results establish engineered dissipation as a promising approach to finite-temperature quantum simulation of frustrated matter, and point toward regimes where quantum devices may outperform classical methods.
• Abstract（参考訳）: 強相関量子物質の有限温度特性は凝縮物質、化学、高エネルギー物理学の中心であるが、量子モンテカルロ (QMC) のような古典的な方法にはアクセスできないことが多い。 本稿では,デジタル量子コンピュータを用いたフラストレーションスピンシステムの散逸熱状態生成について検討する。 我々は,強符号問題によるQMCに有限温度特性が到達できない反強磁性ハイゼンベルクモデル (AFHM) と,符号プロブレムフリーベンチマークとして機能する反強磁性アイシングモデル (AFIM) の2つのパラダイムモデルに焦点を当てた。 IBM量子プロセッサを用いて、最大79ドルのスピンと60ドルの環境量子ビットを結合したカゴメ格子上にAFIMの近似熱状態を作成する。 2量子ゲートの1000層以上の回路で持続する、調整可能な有効温度で安定な定常状態の出現を観察する。 さらに、AFIMとAFHMの古典的状態ベクトルシミュレーションにより、散逸プロトコルのスケーラビリティについて検討する。 最大24部位の格子上では, 熱平衡に達する回路深さはシステムサイズとは無関係であり, 逆温度でほぼ直線的に成長することがわかった。 これらの結果は、フラストレーションされた物質の有限温度量子シミュレーションに対する有望なアプローチとしての散逸と、量子デバイスが古典的手法より優れているレジームへの視点を確立している。

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