論文の概要: Electronic Band Structure of Silicon Determined via a Variational Adiabatic Eigensolver: Theory and Experiment

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2606.16604v1
• Date: Mon, 15 Jun 2026 11:51:16 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-06-16 16:21:34.498864
• Title: Electronic Band Structure of Silicon Determined via a Variational Adiabatic Eigensolver: Theory and Experiment
• Title（参考訳）: 変圧断熱源溶剤によるシリコンの電子バンド構造決定:理論と実験
• Authors: Xingrui Liu, Liyang Sui, Tianqi Cai, Zhiwen Zong, Kunliang Bu, Wenyan Jin, Bowen Chen, Xutao Zhang, Yufan Li, Zhihao Gong, Yicong Zheng, Shengyu Zhang, Jianlan Wu, Yi Yin,
• Abstract要約: ノイズ量子デバイス上で高忠実な固有状態を作成するために, 断熱型固有解法プロトコルを導入する。 シリコンの電子バンド構造を極小数量子ビットのみを用いて計算した。 この枠組みは、量子材料中の電子構造を正確に決定するための堅牢で実用的な経路を提供する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 13.777428345019553
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: This work addresses the critical challenge of excited-state preparation for semiconductor band structure calculations. We introduce a variational adiabatic eigensolver (VAE) protocol that combines adiabatic evolution with variational optimization to prepare high-fidelity eigenstates on noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices. Applying a momentum-space truncation, we accurately compute the electronic band structure of silicon -- an idealized infinite periodic system -- using only a modest number of qubits. Our approach employs multi-qubit parameterized circuits and a phase-based loss function, overcoming limitations of conventional methods. These limitations include the circuit-construction difficulty in traditional adiabatic approaches and the reduced accuracy of variational quantum eigensolvers for excited states. Through rigorous numerical simulation and experimental implementation on a superconducting quantum processor, we successfully prepare silicon's valence-band and conduction-band eigenstates. Single-shot readout yields state fidelities exceeding 96%, and the measured energy expectations agree with theoretical band energies within 0.5 eV. Further refinement via single-frequency oscillation fitting reduces the energy deviation to below 0.01 eV. This framework provides a robust and practical pathway for precisely determining electronic structures in quantum materials.
• Abstract（参考訳）: この研究は、半導体バンド構造計算のための励起状態の準備における重要な課題に対処する。 本研究では, ノイズのある中間規模量子 (NISQ) デバイス上での高忠実な固有状態を作成するために, 変分進化と変分最適化を組み合わせた変分断断熱分解器 (VAE) プロトコルを提案する。 運動量空間のトランケーションを適用して、適度な数の量子ビットだけを用いてシリコンの電子バンド構造(理想化された無限周期系)を正確に計算する。 提案手法では,マルチキュービットパラメータ化回路と位相に基づく損失関数を用い,従来の手法の限界を克服する。 これらの制限には、従来の断熱的アプローチにおける回路構成の難しさや、励起状態に対する変分量子固有解法の精度の低下が含まれる。 超伝導量子プロセッサの厳密な数値シミュレーションと実験的実装により、シリコンの原子価バンドおよび伝導バンド固有状態の生成に成功した。 単発読み出しでは、状態の忠実度は96%を超え、測定されたエネルギー期待値は0.5eV内の理論バンドエネルギーと一致している。 単一周波数発振装置によるさらなる改良により、エネルギー偏差は0.01 eV以下に減少する。 この枠組みは、量子材料中の電子構造を正確に決定するための堅牢で実用的な経路を提供する。

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