[论文解读] SU(2) hadrons on a quantum computer

Y. Y. Atas, Jinglei Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2021

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 48被引用 11

一句话总结

本论文首次在IBM超导量子处理器上使用变分量子本征求解器（VQE）对同时包含规范场和物质场的非阿贝尔规范场论进行了量子模拟。成功计算了SU(2)介子和重子的质量——这些强子此前尚未在量子计算机上模拟过——展示了在近期量子硬件上高效模拟非阿贝尔量子场论的资源节约型方法。

ABSTRACT

We realize, for the first time, a non-Abelian gauge theory with both gauge and matter fields on a quantum computer. This enables the observation of hadrons and the calculation of their associated masses. The SU(2) gauge group considered here represents an important first step towards ultimately studying quantum chromodynamics, the theory that describes the properties of protons, neutrons and other hadrons. Quantum computers are able to create important new opportunities for ongoing essential research on gauge theories by providing simulations that are unattainable on classical computers. Our calculations on an IBM superconducting platform utilize a variational quantum eigensolver to study both meson and baryon states, hadrons which have never been seen in a non-Abelian simulation on a quantum computer. We develop a resource-efficient approach that not only allows the implementation of a full SU(2) gauge theory on present-day quantum hardware, but further lays out the premises for future quantum simulations that will address currently unanswered questions in particle and nuclear physics.

研究动机与目标

• 在近期量子计算机上模拟具有动力学物质场的非阿贝尔规范场论，具体为SU(2)。
• 通过开发资源高效的量子线路设计，克服当前含噪声中等规模量子（NISQ）设备的局限性。
• 首次在量子处理器上观测到非阿贝尔规范场论中的强子态——介子和重子。
• 为未来利用量子计算机模拟量子色动力学（QCD）及标准模型之外的物理奠定基础。
• 通过实现经典方法无法达到的高度纠缠、平衡态，解决格点规范场论中的符号问题。

提出的方法

• 采用变分量子本征求解器（VQE）在量子协处理器上求解SU(2) Kogut-Susskind哈密顿量的基态能量。
• 通过积分掉规范场自由度，降低对量子比特和门操作数量的需求，简化量子线路。
• 设计仅包含所选参数区域中物理相关成分的高效量子电路，同时保持对称性约束。
• 通过Jordan-Wigner变换对SU(2)规范场和物质场进行量子比特映射，将自旋自由度编码到量子比特上。
• 通过计算基态的叠加构造色对称态，实现电中性规范荷和重子数守恒。
• 为小尺寸晶格（N=4，N=6）设计保持对称性的量子电路，确保物理态为总非阿贝尔电荷算符的本征态。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前一代量子计算机能否模拟同时包含规范场和物质场的非阿贝尔规范场论？
• RQ2 在1+1维SU(2)格点规范场论中，介子和重子态的基态能量（质量）是多少？
• RQ3 如何克服NISQ设备的资源限制，以模拟如SU(2) QCD等复杂量子场论？
• RQ4 变分量子算法能否准确制备并测量非阿贝尔理论中的强子态？
• RQ5 非对角、非阿贝尔相互作用在强子谱中起什么作用？能否在量子处理器上实现其捕捉？

主要发现

• 首次在量子计算机上成功模拟了SU(2)强子——包括介子和重子——使用的是在IBM超导平台上运行的VQE。
• 该模拟成功计算了在含动力费米子的1+1维SU(2)格点规范场论中，介子和重子态的质量。
• 该方法通过积分掉规范自由度并使用对称性保持的量子电路，显著降低了实验资源需求。
• 该方法实现了同时为总非阿贝尔电荷算符本征态的物理态，包括非阿贝尔理论中独有的非对角项。
• 对于N=4和N=6个空间格点，所设计的量子电路直接强制实现重子数和色单重态约束，确保了物理态的正确性。
• 结果表明，该方法为在近期量子硬件上模拟完整的QCD及其他非阿贝尔理论提供了可行路径，克服了符号问题和线路深度带来的挑战。