[論文レビュー] Quantum Simulation for High Energy Physics

C. Bauer, Zohreh Davoudi+29 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 566被引用数 11

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、高エネルギー物理学（HEP）における量子シミュレーションの変容的役割を確立し、量子コンピュータが古典的には処理不能な問題を、量子場理論、格子規範理論、および宇宙論において解けると提言している。非摂動的現象のシミュレーションにおける量子優位性を達成するため、理論、アルゴリズム、ハードウェアを統合する共同設計フレームワークを提示している。これは、加速器の素粒子現象から初期宇宙のダイナミクスに至るまで、素粒子物理学のあらゆる分野に及ぶ。

ABSTRACT

It is for the first time that Quantum Simulation for High Energy Physics (HEP) is studied in the U.S. decadal particle-physics community planning, and in fact until recently, this was not considered a mainstream topic in the community. This fact speaks of a remarkable rate of growth of this subfield over the past few years, stimulated by the impressive advancements in Quantum Information Sciences (QIS) and associated technologies over the past decade, and the significant investment in this area by the government and private sectors in the U.S. and other countries. High-energy physicists have quickly identified problems of importance to our understanding of nature at the most fundamental level, from tiniest distances to cosmological extents, that are intractable with classical computers but may benefit from quantum advantage. They have initiated, and continue to carry out, a vigorous program in theory, algorithm, and hardware co-design for simulations of relevance to the HEP mission. This community whitepaper is an attempt to bring this exciting and yet challenging area of research to the spotlight, and to elaborate on what the promises, requirements, challenges, and potential solutions are over the next decade and beyond.

研究の動機と目的

• 量子シミュレーションを高エネルギー物理学における中心的フロンティアとして位置づけ、古典的計算では到達できない問題に取り組む。
• 非摂動的QCD、ニュートリノの相互作用、量子重力といった、量子シミュレーションに適した高エネルギー物理学分野の主要な物理的問題を特定する。
• スケーラブルな量子場理論のシミュレーションを実現するため、理論、アルゴリズム、量子ハードウェア開発を統合する共同設計ロードマップを提示する。
• 今後10年間で基礎物理学における飛躍的進歩を可能にするために、量子情報科学分野への持続的投資を提言する。
• 高エネルギー物理学、量子コンピューティング、量子シミュレーションのコミュニティ間の協働フレームワークを確立し、発見を加速する。

提案手法

• ゲートベースの量子コンピュータを用いた格子規範理論のデジタル量子シミュレーションを提案し、qubitマッピングとゲージ不変ハミルトニアンのための量子回路を活用する。
• 強い相関系および量子場理論における非平衡ダイナミクスをシミュレートするため、テンソルネットワークと変分量子アルゴリズムを導入する。
• フェルミオン自由度をJordan-Wigner変換またはBravyi-Kitaev変換を用いて、外部のゲージ場にさらされた物質場のシミュレーションに適応した量子アルゴリズムを適用する。
• 近い将来のノイジィな中規模量子（NISQ）デバイスに特化した、誤り補正と誤り抑制技術を開発する。
• 量子結果の妥当性を検証・キャリブレーションするため、量子シミュレーションを古典的格子場理論のベンチマークと統合する。
• 基底状態および熱状態の準備に適したハイブリッド量子古典アルゴリズム（例：変分量子固有状態探索法（VQE）や量子虚時間発展演算（QITE））を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在および近い将来の量子ハードウェアで、量子場理論や格子規範理論における非摂動的問題をどれほど効果的に量子シミュレーションできるか？
• RQ2 フェルミオン系の強いゲージ場中での物質場ダイナミクス、特に手対称性の破れや閉じ込め現象をシミュレートするために、量子アルゴリズムをどのように最適化できるか？
• RQ3 QCD相図やニュートリノの伝播といった、主要なHEP現象をシミュレートするための最小限の量子リソース要件（キュービット数、ゲート数、コherenct時間）は何か？
• RQ4 誤り補正と誤り抑制技術を、HEP関連モデルにおける長時間発展演算や熱状態のシミュレーションで精度を保つようにどのように適合できるか？
• RQ5 基礎物理学における量子優位性を達成するため、HEP理論、量子アルゴリズム開発、量子ハードウェア工学の間で不可欠な共同設計戦略は何か？

主な発見

• 量子シミュレーションは、古典的スーパーコンピュータでは処理不能な、量子色力学（QCD）や格子規範理論における非摂動的現象をシミュレートする実現可能な道筋を提供する。
• 最近の量子アルゴリズムと誤り補正技術の進歩により、小規模な量子プロセッサ上でフェルミオン自由度とゲージ自由度の最初の概念実証シミュレーションが可能になった。
• アルゴリズム、ハードウェア、理論の共同設計が、すでに、誤り耐性のある量子コンピュータ上でQCD相図や電弱相転移をシミュレートするための実用的ルートを生み出している。
• 初期宇宙のダイナミクス、例えばバリオジェネシスや宇宙的相転移の量子シミュレーションは、今や量子優位性の有望なフロンティアと見なされている。
• 量子シミュレーションを既存の格子場理論フレームワークと統合することで、量子結果の相互検証と妥当性確認が可能となり、新たなシミュレーションに対する信頼性が向上した。
• 国立研究所、大学、量子技術企業が参加する協働エコシステムが急成長しており、スケーラブルで物理的意味を持つ量子シミュレーションの進展を加速している。