[論文レビュー] Opportunities for Nuclear Physics & Quantum Information Science

Ian C. Cloët, Matthew R. Dietrich+24 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2019

Scientific Computing and Data Management被引用数 15

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、核物理学（NP）と量子情報科学（QIS）の交差点における5つの戦略的研究機会を特定し、量子コンピューティング、量子シミュレーション、量子センシングを活用して、解けないNP問題——特に核多体問題と格子ゲージ理論——を解決するための共同研究を提言している。同時に、NPに起因する理論的・技術的イノベーションによってQISを前進させる。

ABSTRACT

This whitepaper is an outcome of the workshop Intersections between Nuclear Physics and Quantum Information held at Argonne National Laboratory on 28-30 March 2018 [www.phy.anl.gov/npqi2018/]. The workshop brought together 116 national and international experts in nuclear physics and quantum information science to explore opportunities for the two fields to collaborate on topics of interest to the U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science, Office of Nuclear Physics, and more broadly to U.S. society and industry. The workshop consisted of 22 invited and 10 contributed talks, as well as three panel discussion sessions. Topics discussed included quantum computation, quantum simulation, quantum sensing, nuclear physics detectors, nuclear many-body problem, entanglement at collider energies, and lattice gauge theories.

研究の動機と目的

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• 核物理学と量子情報科学のコミュニティ間の協力を促進し、量子技術を用いて根本的なNP問題に取り組む。
• 量子アルゴリズムとQISの概念を核多体系や量子色力学に応用する新しい理論枠組みの開発を図る。
• 核物理学実験に直接応用可能な量子センサーやその他のQIS技術の開発を支援する。
• 国立研究所、大学、産業界が連携する共同訓練プログラムや共同助成を活用し、核物理学と量子情報科学の両方のスキルを備えた次世代研究者の育成を支援する。

提案手法

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• デジタル量子コンピューターや量子シミュレータを、核物理学におけるゲージ場理論や多体系を模擬するための理論駆動型アプローチを提案する。
• 近い将来のノイズの多い中規模量子（NISQ）デバイス上で量子場理論をシミュレートするため、変分量子アルゴリズムと誤り耐性の高いプロトコルの使用を提唱する。
• 量子センサーやキュービットの開発に活用できる、既存の核物理学インfraストラクチャ——例えば超伝導技術、マイクロフォーエージャー技術、同位体プログラム——を活用するよう勧告する。
• 捕獲イオン、超冷却原子、超伝導回路などの量子シミュレーションプラットフォームを活用し、強い相関を持つ核系や格子ゲージ理論をモデル化する。
• 高精度な電気双極子モーメントや場のダイナミクスの検出に適した、NV中心や原子分光法を含む量子センシング技術の統合を推進する。
• 国立研究所、大学、産業界が連携する共同訓練プログラムや共同助成を通じて、分野横断的で人的資源の育成を促進する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 .
• RQ2 量子コンピューティングは、古典的手法では解けない量子色力学や格子ゲージ理論をどのようにシミュレートできるか？
• RQ3 NISQ時代の量子プロセッサ上で核多体系をシミュレートするにあたり、最も効果的な量子アルゴリズムと誤り低減戦略は何か？
• RQ4 原子または固体系を基盤とする量子センサは、核物理学実験における基本的対称性（例：電気双極子モーメント）の検出をどのように向上させられるか？
• RQ5 量子情報科学の知見とハドロン系・核系の構造とダイナミクスを統合する理論枠組みは、どのように構築できるか？
• RQ6 既存の核物理学インフラは、どのように再利用されれば量子技術の開発を加速できるか？

主な発見

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• シュヴィンガー模型のような格子ゲージ理論の量子シミュレーションが、小規模な量子プロセッサ上ですでに実証され、この手法の実現可能性が裏付けられた。
• 変分量子アルゴリズムは、現在の量子ハードウェア上で少数体核系の基底状態や励起準位スペクトルを計算する上で有望な結果を示している。
• ダイヤモンド中の窒素・ボイド欠陥（NV）中心を基盤とする量子センサは、標準量子制限を下回る磁場分解能を達成でき、微弱な核信号の高精度検出が可能である。
• 大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のような高エネルギー衝突におけるもつれ状態は、量子場理論モデルを通じて探査可能であり、実験的検証の新たな道筋を示唆している。
• 核物理学者と量子情報科学者との協働は、物理的に意味のある量子アルゴリズムのテストベッドを提供することで、フォールトトレランス型量子コンピューティングの開発を加速できる。
• 量子コンピューティングと核理論の統合は、集団的挙動の出現や相転移といった核多体問題に関する新たな知見をもたらす可能性がある。