Simulando teorías de calibre con solucionadores propios cuánticos variacionales en cavidades de microondas superconductoras

Simulando teorías de calibre con solucionadores propios cuánticos variacionales en cavidades de microondas superconductoras

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Jinglei Zhang1,2, Ryan Ferguson1,2, Stefan Kühn3, Jan F Haase1,2,4, CM Wilson1,5, Karl Jansen6y Christine A. Muschik1,2,7

1Instituto de Computación Cuántica, Universidad de Waterloo, Waterloo, Ontario N2L 3G1, Canadá
2Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Waterloo, Waterloo, Ontario N2L 3G1, Canadá
3Centro de Investigación de Ciencia y Tecnología basado en Computación, Instituto de Chipre, 20 Kavafi Street, 2121 Nicosia, Chipre
4Instituto de Física Teórica e IQST, Universität Ulm, Albert-Einstein-Allee 11, D-89069 Ulm, Alemania
5Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad de Waterloo, Waterloo, Ontario N2L 3G1, Canadá
6NIC, DESY Zeuthen, Platanenallee 6, 15738 Zeuthen, Alemania
7Instituto Perimetral de Física Teórica, Waterloo, Ontario N2L 2Y5, Canadá

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Resumen

Los métodos de computación cuántica mejorada son candidatos prometedores para resolver problemas actualmente intratables. Consideramos aquí un eigensolver cuántico variacional (VQE), que delega costosas preparaciones y mediciones de estado al hardware cuántico, mientras que las técnicas de optimización clásicas guían el hardware cuántico para crear un estado objetivo deseado. En este trabajo, proponemos un VQE bosónico utilizando cavidades de microondas superconductoras, superando la restricción típica de un pequeño espacio de Hilbert cuando el VQE está basado en qubit. La plataforma considerada permite fuertes no linealidades entre los modos de fotones, que son altamente personalizables y pueden ajustarse in situ, es decir, durante la ejecución de experimentos. Por lo tanto, nuestra propuesta permite la realización de una amplia gama de estados ansatz bosónicos y, por lo tanto, es especialmente útil cuando se simulan modelos que involucran grados de libertad que no se pueden asignar simplemente a qubits, como las teorías de calibre, que incluyen componentes que requieren Hilbert de dimensión infinita. espacios. Por lo tanto, proponemos aplicar experimentalmente este VQE bosónico al modelo U(1) de Higgs incluyendo un término topológico, que en general introduce un problema de signo en el modelo, haciéndolo intratable con los métodos convencionales de Monte Carlo.

Resumen popular

Las teorías de calibre son una parte fundamental de la física moderna, en particular constituyen el fundamento teórico del Modelo Estándar, que es la mejor descripción que tenemos hasta la fecha de las partículas elementales y sus interacciones, excepto la gravedad. Un éxito destacado del modelo estándar es el mecanismo de Higgs, que explica cómo los bosones de calibre adquieren sus masas; Esto fue confirmado experimentalmente con el descubrimiento de la partícula de Higgs anunciado en 2013 en el CERN. Como las teorías de calibre son teorías cuánticas, las computadoras cuánticas ofrecen una oportunidad emocionante para comprenderlas más profundamente de lo que hemos podido hacer hasta ahora.

En este trabajo, proponemos utilizar fotones en cavidades de microondas superconductoras como una nueva plataforma cuántica para estudiar teorías de calibre. Si bien muchas plataformas de computación cuántica se basan en qubits, que tienen dos estados disponibles, los fotones en una cavidad de microondas son un sistema de dimensiones superiores que puede explotarse para el cálculo. Esto es particularmente relevante porque los campos bosónicos tienen elementos intrínsecamente de alta dimensión, y los recientes desarrollos tecnológicos nos ofrecen un excelente nivel de control y variedad de interacciones entre los fotones de microondas.

La teoría que elegimos estudiar se llama modelo U(1) de Higgs con un término topológico. Esta teoría contiene una física rica y emblemática que simulamos mediante un algoritmo híbrido cuántico-clásico llamado autosolvente cuántico variacional (VQE). Este protocolo utiliza la plataforma cuántica, en nuestro caso la cavidad de microondas, para realizar evaluaciones que son clásicamente difíciles, y una computadora clásica para realizar una optimización variacional robusta a los errores. Mostramos que un VQE es capaz de calcular el estado de menor energía del modelo para una variedad de parámetros, lo que nos permite estudiar diferentes fases del sistema que tienen un comportamiento cualitativamente diferente.

Discutimos en detalle y mostramos que el algoritmo cuántico que desarrollamos es accesible experimentalmente, estudia una teoría de calibre que no sería accesible solo con métodos clásicos y abre muchas posibilidades nuevas para desarrollar aún más simulaciones cuánticas para teorías de calibre.

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Citado por

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[10] Anthony N. Ciavarella, Stephan Caspar, Marc Illa y Martin J. Savage, “Preparación del estado en el modelo de Heisenberg a través de la espiral adiabática”, Cuántica 7, 970 (2023).

[11] Anthony N. Ciavarella, Stephan Caspar, Hersh Singh y Martin J. Savage, "Preparación para la simulación cuántica del modelo σ no lineal (1 +1) -dimensional O(3) usando átomos fríos", Revisión física A 107 4, 042404 (2023).

[12] Yiming Ding, Xiaopeng Cui y Yu Shi, “Simulación cuántica digital y simulación pseudocuántica del modelo Z 2 calibre-Higgs”, Revisión física D 105 5, 054508 (2022).

Las citas anteriores son de ANUNCIOS SAO / NASA (última actualización exitosa 2023-10-29 04:36:47). La lista puede estar incompleta ya que no todos los editores proporcionan datos de citas adecuados y completos.

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