[论文解读] Simulating quantum field theory with a quantum computer

John Preskill|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2018

High-Energy Particle Collisions Research被引用 7

一句话总结

本文主张，由于蒙特卡罗方法中的符号问题，经典百亿亿次计算设备无法解决强耦合量子场论（特别是量子色动力学，QCD）的精确模拟问题，而量子计算机最终将突破这一限制，实现对强耦合量子场论的精确模拟。该文提出，量子模拟可克服在研究实时动力学、有限密度物质和手征费米子方面存在的局限，长远来看，有望用于探索全息对偶性和共形场论。

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.

研究动机与目标

• 解决经典蒙特卡罗模拟在量子色动力学（QCD）中的局限性，特别是符号问题对实时和有限密度模拟的阻碍。
• 探索量子计算机模拟复杂量子场论的可行性，包括含有手征费米子和无质量粒子的理论。
• 通过实现强耦合动力学、共形场论和全息对偶性的模拟，推动基础物理学的发展。
• 通过促进量子算法设计者与格点场论研究者之间的合作，弥合量子信息科学与高能物理之间的鸿沟。
• 为未来模拟中子星、早期宇宙物质以及标准模型之外的新物理现象奠定基础。

提出的方法

• 提出通过将QCD及其他场论的哈密顿量编码到量子比特上，利用量子线路实现量子场论的模拟。
• 强调使用绝热态制备方法初始化量子态，尽管指出在无质量场极限下存在虚假软胶子的挑战。
• 讨论格点正则化技术，包括利用高维体系统分离左右手费米子，以实现手征理论。
• 建议将维度正则化与强相互作用结合，为不需要的右手费米子赋予质量，同时保持左手手征模不变。
• 探索量子算法在共形bootstrap程序中求解半定规划的潜力，相比经典方法可实现加速。
• 倡导结合暴力量子模拟与量子混沌、量子纠缠及涌现几何等概念性进展的混合方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子计算机能否模拟强子碰撞中的实时动力学？这类问题因符号问题而对经典蒙特卡罗方法而言难以处理？
• RQ2 如何在量子计算机或格点上一致地表述手征费米子（标准模型的关键组成部分），而不会引入非物理自由度？
• RQ3 量子模拟在探究强耦合共形场论及其全息对偶性方面可能发挥何种作用？
• RQ4 量子算法能否加速共形bootstrap程序中半定规划的求解，从而为量子场论提供新见解？
• RQ5 在量子场论中，量子信息、量子纠缠与涌现时空几何的相互作用可能催生何种新型计算范式？

主要发现

• 由于符号问题，经典百亿亿次计算设备在模拟实时演化和有限密度QCD方面仍将面临根本性局限。
• 预计量子计算机最终能够模拟量子场论中具有手征费米子和无质量粒子的强纠缠系统。
• 结合额外维度体系统与强相互作用，为在格点上实现手征 gauge 理论提供了有希望的路径。
• 量子模拟可能通过实现手征动力学的非微扰研究，解决格点场论中长期存在的手征费米子问题。
• 量子算法可通过比经典方法更高效地求解半定规划，显著加速共形bootstrap程序。
• 量子场论的量子模拟发展是一项长期事业，需要量子信息科学家与高能理论物理学家的紧密合作，未来有望带来变革性的物理成果。