論文の概要: Investigating Interacting Fermionic Models with Locality-Preserving Qubit Encodings
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.16142v1
- Date: Mon, 14 Sep 2026 18:00:07 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-09-16 14:56:08.162535
- Title: Investigating Interacting Fermionic Models with Locality-Preserving Qubit Encodings
- Title（参考訳）: 局所性保存ビット符号化を用いた干渉フェルミオンモデルの検討
- Abstract要約: ローカリティ保存のDerby-Klassen (DK) fermion-to-qubit mapping。
クリフォードゲート状態調製によるハミルトン変分アンスツ(HVA)
VQE は結果の量子ハミルトニアンの低エネルギー特性が正確に再現されることを示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: We investigate the utility of the locality-preserving Derby-Klassen (DK) fermion-to-qubit mapping [arXiv:2003.06939] for variational quantum simulation of two-dimensional $t$-$V$ and Fermi-Hubbard models. The DK mapping preserves the locality of fermionic interactions with an enlarged Hilbert space, thereby requiring additional constraints that define the physical sector. We incorporate these constraints directly into a Hamiltonian Variational Ansätz (HVA) through Clifford-gate state preparation and use the Variational Quantum Eigensolver (VQE) to show that the low-energy properties of the resulting qubit Hamiltonian are accurately reproduced. We further exploit particle-number conservation inherent in the ansätz to resolve distinct symmetry sectors and reliably access degenerate states. Consequently, we benchmark the DK-HVA against Jordan-Wigner-based variational circuits at nonzero chemical potential, where particle-hole symmetry and the associated half-filled sign-free condition are absent. Finally, we demonstrate the advantage of locality-preserving mappings in higher-dimensional fermionic systems, where the conventional Jordan-Wigner (JW) transformation generates increasingly long Pauli strings and corresponding circuit overheads. We further extend the framework to the spinful Fermi-Hubbard model and identify a tradeoff between fermionic-mode placement and the locality of hopping and on-site interaction terms. These results establish a practical framework combining locality-preserving fermion-to-qubit mappings, constraint-preserving Clifford state preparation, and symmetry-preserving variational circuits, that trades auxiliary-qubit and stabilizer-preparation overhead for reduced operator nonlocality, providing a practical route toward resource-efficient quantum simulation of higher-dimensional interacting fermionic systems.
- Abstract（参考訳）: 局所性保存型Derby-Klassen(DK)フェルミオン-量子ビットマッピング [arXiv:2003.06939] の2次元$t$-$VおよびFermi-Hubbardモデルの変分量子シミュレーションへの応用について検討する。
DK写像は拡大ヒルベルト空間とのフェルミオン相互作用の局所性を保持し、したがって物理セクターを定義する追加の制約を必要とする。
これらの制約を直接ハミルトニアン変分アンセッツ (HVA) に組み込んでクリフォードゲート状態の準備を行い、変分量子固有解法 (VQE) を用いて、結果として生じるハミルトニアンの低エネルギー特性が正確に再現されていることを示す。
さらに、アンセッツに固有の粒子数保存を利用して、異なる対称性のセクターを解決し、退化状態に確実にアクセスする。
その結果、DK-HVAを非ゼロ化学ポテンシャルでヨルダン-ウィグナー系変分回路と比較し、粒子ホール対称性とそれに伴う半充填符号自由条件が欠如している。
最後に、従来のジョルダン・ウィグナー変換(JW)は、より長いパウリ弦とそれに対応する回路オーバーヘッドを生成する高次元フェルミオン系における局所性保存写像の利点を示す。
さらに、このフレームワークをスピンフルフェルミ・ハバードモデルに拡張し、フェルミオンモード配置とホッピングおよびオンサイト相互作用項の局所性の間のトレードオフを特定する。
これらの結果は、局所性保存型フェルミオン-量子ビットマッピング、制約保存型クリフォード状態準備、対称性保存型変分回路を組み合わせた実用的枠組みを確立し、演算子非局所性の低減のために補助量子ビットと安定化器-準備オーバーヘッドを交換し、高次元相互作用型フェルミオン系の資源効率量子シミュレーションへの実践的経路を提供する。
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