在超导微波腔中用变分量子本征解算器模拟规范理论

在超导微波腔中用变分量子本征解算器模拟规范理论

时间戳记：23年2023月12日下午17:XNUMX
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张静蕾1,2, 瑞恩·弗格森1,2, 斯特凡·库恩3, 扬·F·哈斯（Jan F.Haase）1,2,4，CM威尔逊1,5, 卡尔·詹森6及 克里斯汀·A·穆斯基（Christine A. Muschik）1,2,7

1滑铁卢大学量子计算研究所，滑铁卢，安大略省 N2L 3G1，加拿大
2滑铁卢大学物理与天文学系，加拿大安大略省滑铁卢市 N2L 3G1
3塞浦路斯研究所计算科学技术研究中心, 20 Kavafi Street, 2121 Nicosia, Cyprus
4乌尔姆大学理论物理与IQST研究所，阿尔伯特·爱因斯坦·阿利11号，D-89069乌尔姆，德国
5滑铁卢大学电气与计算机工程系，滑铁卢，安大略省 N2L 3G1，加拿大
6NIC，DESY Zeuthen，Platanenallee 6，15738 Zeuthen，德国
7加拿大安大略省滑铁卢理论物理周边研究所，加拿大N2L 2Y5

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抽象

量子增强计算方法是解决当前棘手问题的有希望的候选者。 我们在这里考虑变分量子本征求解器（VQE），它将昂贵的状态准备和测量委托给量子硬件，而经典优化技术指导量子硬件创建所需的目标状态。 在这项工作中，我们提出了一种使用超导微波腔的玻色子 VQE，克服了当 VQE 基于量子位时小希尔伯特空间的典型限制。 所考虑的平台允许光子模式之间具有很强的非线性，这是高度可定制的并且可以在原位（即在运行实验期间）进行调整。 因此，我们的建议允许实现广泛的玻色拟态，因此在模拟涉及不能简单映射到量子位的自由度的模型时特别有用，例如规范理论，其中包括需要无限维希尔伯特的组件空间。 因此，我们建议通过实验将这种玻色子 VQE 应用于包含拓扑项的 U(1) Higgs 模型，该模型通常会在模型中引入符号问题，使其难以用传统的蒙特卡罗方法解决。

热门摘要

规范理论是现代物理学的基本组成部分，特别是它们构成了标准模型的理论基础，这是迄今为止我们对除引力之外的基本粒子及其相互作用的最佳描述。 标准模型的一大成功是希格斯机制，它解释了规范玻色子如何获得质量； 2013 年欧洲核子研究中心宣布发现希格斯粒子，实验证实了这一点。 由于规范理论是量子理论，量子计算机提供了一个令人兴奋的机会，可以比我们迄今为止所能做的更深入地理解它们。

在这项工作中，我们建议使用超导微波腔中的光子作为研究规范理论的新量子平台。 虽然许多量子计算平台基于具有两种可用状态的量子位，但微波腔中的光子是可用于计算的高维系统。 这是特别相关的，因为玻色子场本质上具有高维元素，并且最近的技术发展为我们提供了出色的控制水平和微波光子之间的各种相互作用。

我们选择研究的理论称为带有拓扑项的 U(1) 希格斯模型。 该理论包含丰富且具有象征意义的物理学，我们通过称为变分量子本征解算器（VQE）的混合量子经典算法进行模拟。 该协议使用量子平台（在我们的例子中是微波腔）来执行经典困难的评估，并使用经典计算机来执行对错误具有鲁棒性的变分优化。 我们证明，VQE 能够计算一系列参数的模型的最低能量状态，使我们能够研究具有不同性质行为的系统的不同阶段。

我们详细讨论并表明，我们开发的量子算法可以在实验上实现，它研究了仅用经典方法无法实现的规范理论，并且它为进一步开发规范理论的量子模拟开辟了许多新的可能性。

►BibTeX数据

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