Simulation de théories de jauge avec des solveurs propres quantiques variationnels dans des cavités micro-ondes supraconductrices

Simulation de théories de jauge avec des solveurs propres quantiques variationnels dans des cavités micro-ondes supraconductrices

Horodatage: 23 octobre 2023 12h17
Nœud source: 2960576

Jinglei Zhang1,2, Ryan Ferguson1,2, Stefan Kuhn3, Jan F. Haase1,2,4, CM Wilson1,5, Karl Jansen6et une Christine A. Muschik1,2,7

1Institut d'informatique quantique, Université de Waterloo, Waterloo (Ontario) N2L 3G1, Canada
2Département de physique et d'astronomie, Université de Waterloo, Waterloo, Ontario N2L 3G1, Canada
3Centre de recherche scientifique et technologique basé sur le calcul, Institut de Chypre, 20 Kavafi Street, 2121 Nicosie, Chypre
4Institut de physique théorique et IQST, Universität Ulm, Albert-Einstein-Allee 11, D-89069 Ulm, Allemagne
5Département de génie électrique et informatique, Université de Waterloo, Waterloo (Ontario) N2L 3G1, Canada
6NIC, DESY Zeuthen, Platanenallee 6, 15738 Zeuthen, Allemagne
7Institut Perimeter de physique théorique, Waterloo, Ontario N2L 2Y5, Canada

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Abstract

Les méthodes informatiques quantiques améliorées sont des candidats prometteurs pour résoudre des problèmes actuellement insolubles. Nous considérons ici un solveur propre quantique variationnel (VQE), qui délègue les préparations et les mesures d'état coûteuses au matériel quantique, tandis que les techniques d'optimisation classiques guident le matériel quantique pour créer l'état cible souhaité. Dans ce travail, nous proposons un VQE bosonique utilisant des cavités micro-ondes supraconductrices, surmontant la restriction typique d'un petit espace de Hilbert lorsque le VQE est basé sur des qubits. La plate-forme considérée permet de fortes non-linéarités entre les modes photoniques, qui sont hautement personnalisables et peuvent être réglées in situ, c'est-à-dire pendant les expériences en cours. Notre proposition permet donc la réalisation d'un large éventail d'états d'ansatz bosoniques et est donc particulièrement utile lors de la simulation de modèles impliquant des degrés de liberté qui ne peuvent pas être simplement mappés sur des qubits, tels que les théories de jauge, qui incluent des composants qui nécessitent une dimension infinie de Hilbert. les espaces. Nous proposons donc d'appliquer expérimentalement ce VQE bosonique au modèle de Higgs U(1) incluant un terme topologique, qui introduit en général un problème de signe dans le modèle, le rendant insoluble avec les méthodes de Monte Carlo conventionnelles.

Résumé populaire

Les théories de jauge sont un élément fondamental de la physique moderne, elles constituent en particulier le fondement théorique du modèle standard, qui est la meilleure description dont nous disposons à ce jour des particules élémentaires et de leurs interactions, à l'exception de la gravité. L’un des succès marquants du modèle standard est le mécanisme de Higgs, qui explique comment les bosons de jauge acquièrent leur masse ; cela a été confirmé expérimentalement par la découverte de la particule Higgs annoncée en 2013 au CERN. Les théories de jauge étant des théories quantiques, les ordinateurs quantiques offrent une opportunité passionnante de les comprendre plus en profondeur que ce que nous avons pu faire jusqu’à présent.

Dans ce travail, nous proposons d'utiliser les photons dans des cavités micro-ondes supraconductrices comme nouvelle plateforme quantique pour étudier les théories de jauge. Alors que de nombreuses plates-formes informatiques quantiques sont basées sur des qubits, qui ont deux états disponibles, les photons dans une cavité micro-onde constituent un système de dimension supérieure qui peut être exploité pour le calcul. Ceci est particulièrement pertinent car les champs bosoniques contiennent intrinsèquement des éléments de grande dimension, et les développements technologiques récents nous offrent un excellent niveau de contrôle et une variété d’interactions entre les photons micro-ondes.

La théorie que nous choisissons d’étudier s’appelle un modèle de Higgs U(1) avec un terme topologique. Cette théorie contient une physique riche et emblématique que nous simulons via un algorithme hybride quantique-classique appelé solveur propre quantique variationnel (VQE). Ce protocole utilise la plateforme quantique, dans notre cas la cavité micro-onde, pour effectuer des évaluations classiquement difficiles, et un ordinateur classique pour effectuer une optimisation variationnelle robuste aux erreurs. Nous montrons qu'un VQE est capable de calculer l'état de plus basse énergie du modèle pour une gamme de paramètres, nous permettant d'étudier différentes phases du système qui ont un comportement qualitativement différent.

Nous discutons en détail et montrons que l'algorithme quantique que nous avons développé est accessible expérimentalement, qu'il étudie une théorie de jauge qui ne serait pas accessible avec les seules méthodes classiques et qu'il ouvre de nombreuses nouvelles possibilités pour développer davantage les simulations quantiques pour les théories de jauge.

► Données BibTeX

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Cité par

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Les citations ci-dessus proviennent de SAO / NASA ADS (dernière mise à jour réussie 2023-10-29 04:36:47). La liste peut être incomplète car tous les éditeurs ne fournissent pas de données de citation appropriées et complètes.

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