[論文レビュー] Toward $ extit{Ab Initio}$ Quantum Simulations of Atomic Nuclei Using Noisy Qubits

Chongji Jiang, J. C. Pei+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2026

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 0

ひとこと要約

論文は、ノイズのある量子ビット上で NN+3N 力を用いた ab initio の no-core shell model の量子シミュレーションを 3H で実演し、一般化可換性グルーピングによる計測コストの低減と、粒子数対称性射影によるノイズの緩和を扱う。

ABSTRACT

Quantum computers are expected to provide a ultimate solver for quantum many-body systems, although it is a tremendous challenge to achieve that goal on current noisy quantum devices. This work illustrated quantum simulations of ab initio no-core shell model calculations of $^3$H with chiral two-nucleon and three-nucleon forces. The measurement costs are remarkably reduced by using the general commutativity measurement together with the asymptotic optimization. In addition, the noise causes serious contaminations of configurations with undesired particle numbers, and the accuracies are much improved by applying the particle number projected measurement. By tackling the efficiency and noise issues, this work demonstrated a substantial step toward ab initio quantum computing of atomic nuclei.

研究の動機と目的

• NN および 3N 力を持つ no-core shell model を用いた第一原理の量子計算を軽核に拡張する。
• commuting Pauli 弦のグルーピングと MBPT2 に基づく最適化を通じて VQE の計測コストを削減する。
• symmetry-projected measurements によるノイズがもたらす粒子数セクターの汚染を緩和する。

提案手法

• NCSM 波動関数を UCC アンサンブルで表現し VQE によって最適化する。
• ハミルトニアンを Jordan-Wigner および Bravyi-Kitaev 変換を用いてキュービットへ写像する。
• 測定グループを最小化するために一般化可換性で Pauli 弦をグルーピングする。
• MBPT2 による項最適化を用いて実測作業負荷を低減する。
• 測定において粒子数、パリティ、Jz 対称性射影を適用し結果を浄化する。
• JW および BK の写像を用いてノイズ効果を探索し、 tunable なノイズスケールを導入して解析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般化可換性グルーピングはノイズのある量子ビット上のab initio 核ハミルトニアンの計測コストを大幅に削減できるか。
• RQ2 ノイズ汚染は粒子数セクターと VQE ベースの NCSM シミュレーション全体のエネルギー精度にどう影響するか。
• RQ3 対称性射影測定は実現性のノイズ下で ab initio エネルギーの精度を改善するか。
• RQ4 軽い核種（3H など）に対する JW 対 BK のどちらの写像が、異なるノイズスケールでより頑健か。
• RQ5 3N 力を持つより重い p-シェル核へ拡張する際の実践的難易度（量子ビット数、ゲート数）はどの程度か。

主な発見

• GC グルーピングはナイーブなグルーピングと比べて計測グループを10倍以上削減し、MBPT2 による最適化がさらにコストを低減する。
• MBPT2 関連の項最適化は MBPT3 最適化に近い変分パラメータを生み出し、波動関数の重なりはおおよそ 0.978 から厳密解に近い。
• ノイズ下では対称性射影を用いた diagonal terms の計測によりエネルギー精度が格段に改善される（BK マッピングは総合で −7.39 MeV から 0.98 MeV へ改善）。
• 低ノイズスケールでは BK マッピングがより高精度を示す一方、ノイズが大きいスケールでは汚染パターンに依存して JW が上回る場合がある；対称性射影はこれを緩和する。
• full 3N 力の含有は Pauli 弦の数を増やすが、GC グルーピングと MBPT2 ガイダンスは測定負担をなお大幅に低減する。