[论文解读] Partonic Structure by Quantum Computing

Tianyin Li, Xingyu Guo+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新颖的量子算法，将强子态制备与实时光Front相关性评估相结合，用于模拟量子色动力学（QCD）中的部分子分布函数（PDFs）。以1+1维Nambu-Jona-Lasinio（NJL）模型为测试案例，该方法在经典硬件上的量子计算结果与数值对角化方法一致，验证了该方法在近期量子设备上的可行性。

ABSTRACT

We present a systematic quantum algorithm, which integrates both the hadronic state preparation and the evaluation of the real-time light-front correlations, to study the parton distribution functions (PDFs). As a proof-of-concept, we realize the first direct simulation of the PDFs in the 1+1 dimensional Nambu-Jona-Lasinio (NJL) model. We show the results obtained by numerical diagonalization and by quantum computation using classical hardware. The agreement between these two distinct methods and the qualitative consistency with the QCD PDFs validate the proposed quantum algorithms. Our work suggests the encouraging prospects of calculating the QCD PDFs on current and near-term quantum devices. The presented quantum algorithm is expected to have many applications in high energy particle and nuclear physics.

研究动机与目标

• 开发一种系统性的量子算法，用于计算量子场论中的部分子分布函数（PDFs）。
• 在统一的量子框架中整合强子态制备与实时光Front相关性评估。
• 使用1+1维Nambu-Jona-Lasinio（NJL）模型作为基准，验证该量子算法。
• 展示在当前及近期量子硬件上模拟QCD PDFs的可行性。
• 为将量子算法应用于高能物理与核物理问题奠定基础。

提出的方法

• 该算法结合变分态制备方法，在量子处理器上制备强子态。
• 采用时间演化电路，计算提取PDF所必需的实时光Front相关性。
• 该方法使用离散化光Front量化的途径，将场论映射为量子比特哈密顿量。
• 通过量子线路模拟器在经典硬件上实现模拟，以模拟量子计算过程。
• 该算法应用于1+1维NJL模型，该模型是具有类似QCD特征的可处理模型。
• 将结果与数值对角化方法对比，以验证其准确性和一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够通过统一的量子算法同时模拟强子态制备与光Front相关函数以用于PDF计算？
• RQ2 所提出的量子算法在类似NJL模型的场论模型中，能否准确再现PDFs？
• RQ3 在相同模型中，量子计算结果与数值对角化结果的一致性如何？
• RQ4 该量子模拟在多大程度上反映了真实QCD PDFs的定性特征？
• RQ5 该方法能否扩展至在近期量子设备上进行真实的QCD PDF计算？

主要发现

• 该量子算法成功地在经典硬件上模拟了1+1维NJL模型中的部分子分布函数。
• 量子计算结果与数值对角化方法获得的结果高度一致。
• 模拟得到的PDFs表现出与QCD中已知行为一致的定性特征，支持该方法的物理有效性。
• 该工作展示了将量子算法应用于非微扰QCD问题（如PDF计算）的可行性。
• 该方法为未来在当前及近期量子处理器上模拟QCD PDFs开辟了路径。
• 在单一量子算法中整合态制备与相关性评估，在原则上证明了其有效性和可扩展性。