[논문 리뷰] Simulating one-dimensional quantum chromodynamics on a quantum computer: Real-time evolutions of tetra- and pentaquarks

Y. Y. Atas, Jan F. Haase외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 07.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초전도 양자 컴퓨터를 사용하여 1차원 SU(3) 게이지 이론에서 테트라쿼크 및 펜타쿼크 상태의 실시간 양자 시뮬레이션을 처음으로 수행한다. 이는 세 개의 쿼크 색도피에 해당하는 비아벨 게이지 이론에서 색 단일 상태의 강입자에 대한 비perturbative 동역학을 시연한다. 실험은 쿼크-항쿼크 및 다중쿼크 상태의 실시간 진화를 구현하여 바리온-항바리온 진동을 드러내며, 오차 보정 및 하드웨어 데이터에 대한 베이지안 추론을 통해 방법을 검증한다.

ABSTRACT

Quantum chromodynamics - the theory of quarks and gluons - has been known for decades, but it is yet to be fully understood. A recent example is the prediction and experimental discovery of tetraquarks, that opened a new research field. Crucially, numerous unsolved questions of the standard model can exclusively be addressed by nonperturbative calculations. Quantum computers can solve problems for which well established QCD methods are inapplicable, such as real-time evolution. We take a key step in exploring this possibility by performing a real-time evolution of tetraquark and pentaquark physics in one-dimensional SU(3) gauge theory on a superconducting quantum computer. Our experiment represents a first quantum computation involving quarks with three colour degrees of freedom, i.e. with the gauge group of QCD.

연구 동기 및 목표

• 양자 하드웨어를 사용하여 양자 chromodynamics(QCD)에서 테트라쿼크 및 펜타쿼크와 같은 이색 하드론의 비perturbative 실시간 동역학을 시뮬레이션하는 것.
• QCD의 SU(3) 게이지 군에 해당하는 세 가지 색 자유도를 가진 쿼크를 포함하는 첫 번째 양자 계산을 시연하는 것.
• 테트라쿼크 상태가 바리온-항바리온 쌍과 혼합되는 것과 시간 진화를 통해 펜타쿼크 시스템에서의 진동 행동을 관찰하는 것.
• 노이지 중간 규모 양자(NISQ) 장치에서 오차 보정 기법과 베이지안 추론을 사용하여 하드론 상태의 양자 시뮬레이션을 검증하는 것.

제안 방법

• 스태그너드 페르미온과 개방 경계 조건을 사용한 1D SU(3) 격자 게이지 이론의 해밀토니안 형식을 사용한다.
• 각 격자 위치에 최대 세 개의 쿼크와 세 개의 항쿼크가 존재하는 스태그너드화 계획에 따라 쿼크 및 항쿼크 장을 큐비트로 매핑한다.
• 시간 진화 연산자의 트로터-수즈키 분해를 통해 실시간 진화를 구현하며, 게이트 오차를 보정하기 위해 물리적 회로와 보정 회로를 사용한다.
• 오차 보정은 물리적 회로와 반전 진화 회로를 비교하여 수행되며, 각 회로의 CNOT 게이트 수의 비율을 통해 보정 인자를 도출한다.
• 측정된 기대값에서 진동 주파수와 진폭을 추출하기 위해 베이지안 추론을 사용하며, 데이터를 균일 및 정규 사전 분포를 가진余弦 함수의 합으로 모델링한다.
• 몬테카를로 샘플링을 사용하여 후행 분포와 매개변수(주파수, 진폭, 위상 등)의 신뢰구간(HDI)을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비아벨 게이지 이론을 사용하여 초전도 양자 프로세서에서 테트라쿼크 및 펜타쿼크 상태의 실시간 진화를 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 SU(3) 게이지 이론에서 테트라쿼크 상태의 동역학에서 바리온-항바리온 혼합의 역할은 무엇인가?
• RQ3 제어된 양자 시뮬레이션에서 펜타쿼크 상태는 바리온과 함께 진동 행동를 나타낼 수 있는가?
• RQ4 노이지 양자 하드웨어에서 오차 보정 기법이 하드론 시스템의 물리적 관측량을 추출하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 이색 하드론 상태의 시간 진화에서 지배적인 주파수 성분은 무엇이며, 이는 쿼크 질량 매개변수에 어떻게 의존하는가?

주요 결과

• 실험은 두 개의 쿼크가 색 반삼중항에, 두 개의 항쿼크가 색 삼중항에 있는 테트라쿼크 상태의 실시간 진화를 성공적으로 시뮬레이션하였다. 이 동역학은 주로 바리온-항바리온 쌍과의 혼합에 의해 지배된다.
• 중량 쿼크 질량(m̃ = 1.2)을 가진 테트라쿼크의 경우, 주요 주파수 ω₁/(2π) = 0.262 [0.254, 0.267] 및 진폭 A₁ = 0.689 [0.582, 0.752]가 관측되어, 테트라쿼크 상태와 바리온-항바리온 상태 사이의 위상 일관된 진동이 있음을 시사한다.
• 경량 쿼크 질량(m̃ = 0.45)을 가진 경우, 두 개의 별개의 주파수가 나타났다: ω₁/(2π) = 0.338 [0.000, 0.712] 및 ω₂/(2π) = 0.427 [0.297, 0.502], 신뢰구간(HDI)이 겹치지 않아 복잡한 다중 모드 동역학임을 나타낸다.
• 펜타쿼크 실험은 극한의 무게 한계에서 펜타쿼크와 바리온 사이의 진동을 시연하였으며, 시간 진화 데이터에서 주기적인 행동이 관측되어 확인되었다.
• 오차 보정은 물리적 회로와 반전 진화 회로를 번갈아 사용하여 시스템적 드리프트를 감소시켰으며, CNOT 게이트 수에 기반한 보정 인자 κ를 적용하였다.
• 베이지안 분석은 모든 매개변수에 대해 신뢰구간(HDI)을 도출하였으며, 데이터가 높은 신뢰도로 두 주파수 모델에 의해 가장 잘 기술됨을 확인하였다.