Phase structure of gauge theories via digital quantum computers

通过数字量子计算机研究规范理论的相结构

基本信息

批准号：
20K14479
负责人：
富谷昭夫
金额：
$ 2.75万
依托单位：
International Professional University of Technology in Osaka (2021-2022)Institute of Physical and Chemical Research (2020)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、量子計算の手法を活用して、特にシュウィンガーモデルの相構造の理解を深めることができた。シュウィンガーモデルは相対論的量子電磁気学の一部であり、その理解は物理学全体の理解を深めるのに極めて重要である。我々は、変分量子アルゴリズムを駆使して、従来のモンテカルロ法では解明することが困難であった有限密度領域の相構造を明らかにした。具体的には、量子計算シミュレータ上でシュウィンガーモデルの変分波動関数・変分状態を実現した。これにより、相互作用や有限温度効果を考慮したハミルトニアンの計算に必要な変分波動関数を用意し、その量子論的・統計力学的な期待値を計算することが可能となった。さらに、有限温度と密度を持つシュウィンガーモデルの相図を作成した。相図は物質の性質を示す重要なツールであり、その生成は本研究の重要な成果である。この成果は、古典と量子のハイブリッドアルゴリズムであるBeta-VQEアルゴリズムを活用することで達成された。我々の研究は、従来の格子QCDの計算と同様に、連続極限や有限体積効果の評価を行った。その結果、有限温度T>0および化学ポテンシャルμ>0のシュウィンガーモデルの相図の定性的な描像を得ることができた。これは、量子計算を利用して物理学の未解決問題に対する新たな視点を提供する重要な一歩である。以上の成果は、量子計算が物理の未解決問題に対する有力な手法であることを実証した。量子シミュレーションの分野において、これは基礎的な発展を促すものであり、今後の研究における新たな可能性を示唆している。

这项研究能够利用量子计算技术来加深我们对施温格模型的相结构的理解。 Schwinger模型是相对论量子电磁学的一部分，其理解对于加深我们对物理学的理解至关重要。我们已经使用变分量子算法来阐明有限密度区域的相结构，这是很难用常规的蒙特卡洛方法理解的。具体而言，在量子计算模拟器上实现了Schwinger模型的变异波函数和变异状态。这使得在考虑到相互作用和有限温度效应的情况下，准备哈密顿计算所需的变分波函数，并计算其预期值的量子理论和统计力学。此外，创建了具有有限温度和密度的Schwinger模型的相图。相图是显示材料特性的重要工具，它们的生产是本研究的重要结果。这项成就是通过利用Beta-VQE算法（一种混合经典和量子算法的）来实现的。我们的研究评估了连续限制和有限体积效应，类似于传统的晶格QCD计算。结果，获得了具有有限温度t> 0的Schwinger模型相图的定性图像，并且获得了化学电位μ> 0。这是使用量子计算来提供有关未解决物理问题的新观点的重要步骤。以上结果表明，量子计算是解决未解决物理问题的强大方法。在量子模拟领域，这鼓励基本发展，并提出了未来研究的新可能性。