[논문 리뷰] Simulating quantum field theory with a quantum computer

John Preskill|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 14.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 강한 결합된 양자장 이론, 특히 양자 chromodynamics(QCD)의 정확한 시뮬레이션을 가능하게 할 것으로 기대되는 양자 컴퓨터의 잠재력을 주장한다. 이는 고전적 엑사스케일 컴퓨터가 도달하지 못하는 영역이며, 몽테 카를로 방법에서 발생하는 부호 문제(sign problem)로 인해 발생한다. 양자 시뮬레이션은 실시간 동역학, 유한 밀도 물질, 카이랄 페르미온 연구의 한계를 극복할 수 있으며, 장기적으로는 호로그래픽 dualities와 등각 장 이론을 탐색할 잠재력을 지닌다.

ABSTRACT

Forthcoming exascale digital computers will further advance our knowledge of quantum chromodynamics, but formidable challenges will remain. In particular, Euclidean Monte Carlo methods are not well suited for studying real-time evolution in hadronic collisions, or the properties of hadronic matter at nonzero temperature and chemical potential. Digital computers may never be able to achieve accurate simulations of such phenomena in QCD and other strongly-coupled field theories; quantum computers will do so eventually, though I'm not sure when. Progress toward quantum simulation of quantum field theory will require the collaborative efforts of quantumists and field theorists, and though the physics payoff may still be far away, it's worthwhile to get started now. Today's research can hasten the arrival of a new era in which quantum simulation fuels rapid progress in fundamental physics.

연구 동기 및 목표

• 강한 결합된 양자장 이론, 특히 실시간 및 유한 밀도 시뮬레이션을 방해하는 부호 문제로 인해 고전적 몽테 카를로 시뮬레이션의 한계를 해결하기 위함.
• 카이랄 페르미온과 질량이 없는 입자를 포함한 복잡한 양자장 이론을 시뮬레이션할 수 있는 양자 컴퓨터의 가능성 탐색.
• 강한 결합된 동역학, 등각 장 이론, 호로그래픽 dualities의 시뮬레이션을 통해 기본 물리학을 발전시키기 위함.
• 양자 알고리즘 설계자와 격자 장 이론가 간의 협력을 통해 양자정보 과학과 고에너지 물리학을 연결하기 위함.
• 중성자별, 초기 우주 물질, 표준모형을 초월한 새로운 물리현상의 미래 양자 시뮬레이션을 위한 기반 마련

제안 방법

• 양자 회로를 통해 QCD 및 기타 장 이론의 해밀토니안을 큐비트에 인코딩하여 양자 컴퓨터로 장 이론을 시뮬레이션하는 것을 제안.
• 스팸 없는 연속적인 상태 준비 방식인 아디아바틱 상태 준비를 강조하지만, 질량이 없는 장 이론의 극한에서 잠재적인 문제인 잡음 있는 연속적인 쿼라를 고려.
• 격자 정규화 기법을 논의하며, 카이랄 이론 실현을 위해 왼쪽과 오른쪽 수동 페르미온을 분리하기 위해 고차원적 부스터 시스템을 사용.
• 강한 상호작용과 함께 차원 정규화를 조합하여 불필요한 오른쪽 수동 페르미온에 질량을 주되, 왼쪽 수동 카이랄 모드를 유지하는 방법 제안.
• 등각 보트스트랩 프로그램에서 준선형 프로그래밍 문제를 해결하기 위한 양자 알고리즘의 잠재력을 탐색하며, 고전적 방법 대비 가속 효과 기대.
• 브루트 포스 양자 시뮬레이션과 양자 혼돈, 얽힘, 잠재적 기하학의 개념적 진전을 융합한 하이브리드 접근법을 주장.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부호 문제로 인해 고전적 몽테 카를로 방법으로는 해결하기 어려운 하드론 충돌의 실시간 동역학을 양자 컴퓨터가 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 표준모형의 핵심 요소인 카이랄 페르미온이 물리적 도메인을 추가하지 않고도 양자 컴퓨터나 격자에서 일관되게 기술될 수 있는가?
• RQ3 양자 시뮬레이션은 강한 결합된 등각 장 이론과 그 호로그래픽 이중성의 탐색에 어떤 역할을 할 수 있는가?
• RQ4 양자 알고리즘이 등각 보트스트랩 프로그램의 준선형 프로그래밍 문제를 해결함으로써 고전적 방법보다 빠르게 하여, 양자장 이론에 대한 새로운 통찰을 제공할 수 있는가?
• RQ5 양자정보, 얽힘, 그리고 양자장 이론에서의 잠재적 시공간 기하학 간의 상호작용에서 새로운 계산 철학이 어떻게 도출될 수 있는가?

주요 결과

• 고전적 엑사스케일 컴퓨터는 여전히 부호 문제로 인해 실시간 진화와 유한 밀도 QCD의 시뮬레이션에서 근본적인 한계를 겪을 것이다.
• 양자 컴퓨터는 카이랄 페르미온과 질량이 없는 입자를 포함한 강한 얽힘을 가진 시스템의 시뮬레이션을 향후 가능하게 할 것으로 기대된다.
• 추가 차원의 부스터 시스템과 강한 상호작용의 조합은 격자상에서 카이랄 게이지 이론을 실현하기 위한 유망한 길을 제공한다.
• 양자 시뮬레이션은 카이랄 페르미온 문제와 같은 장기적인 문제를 해결할 수 있으며, 카이랄 동역학의 비추상적 연구를 가능하게 한다.
• 양자 알고리즘은 고전적 방법보다 준선형 프로그래밍 문제를 더 효율적으로 해결함으로써 등각 보트스트랩 프로그램의 가속을 이끌 수 있다.
• 양자장 이론에 대한 양자 시뮬레이션 개발은 장기적인 과제이며, 양자정보 과학자와 고에너지 이론가 간의 협력이 필요하며, 미래에는 변혁적인 물리적 결과가 기대된다.