Application of quantum computing for particle physics event generators

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2021年度に、当初の研究計画にあった2つの段階のうちの第1段階が原理的に難しいことが明らかになり、第2段階（粒子散乱過程の素粒子物理学的記述からの直接シミュレーション）に専念することを決めた。2022年度は引き続きこの課題に取り組んだ。素粒子物理学の基礎である場の量子論は多体系の量子力学の無限自由度極限として捉えることができる。通常、場の量子論を計算機（古典・量子問わず）上でシミュレートする場合は、無限の自由度（連続時空）を離散有限な格子で代表させる。この場合、量子コンピュータ上でのシミュレーションでは、格子点の数と計算に必要な量子ビットの数が比例し、特に高エネルギー過程の計算には莫大な数の量子ビットを使用することになる。しかし、高エネルギーの粒子散乱過程で摂動計算が可能な場合、摂動の各次数では有限個の粒子しか寄与しないということに着目すると、粒子ベースの離散化、つまり多体系の量子力学への還元というアプローチを考えることができる。このアプローチでは、必要な量子ビット数はシミュレーションに含める粒子の数に比例し、格子点の数（位置と運動量の双対関係より、粒子の運動量のダイナミックレンジに相当）については対数的にスケールする。この粒子ベースでのシミュレーションの基礎を2021年度に本研究において独自に定式化していたが、その後2020年のBarataらの論文[1]でほぼ同じ内容が提唱されていたことがわかり、本研究のアプローチの有効性が裏付けられた。2022年度は、この論文で提示されたアルゴリズムの量子計算シミュレータ上での実装を行った。[1] Barata et al. Physical Review. A 103 (4): 042410.