Quantum Simulation of Non-Equilibrium Processes in Quantum Field Theories

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現代の素粒子物理学では、クオークグルーオンプラズマ(QGP)状態の生成など、様々な非平衡過程に対する理論的研究が行われている。QGPは初期宇宙がこの状態をとっていたと考えられることから強く興味が持たれている。しかし、このような非平衡過程は、従来の計算手法では符号問題と呼ばれる問題が障害となって計算を行えない問題がある。一方、近年注目されている量子コンピュータを利用した計算ではこの問題が自然に回避される。この背景のもと、本研究は量子コンピュータを用いて汎用的な非平衡過程計算アルゴリズムを開発することを目的とする。期間内に上述のQGPの生成過程の計算を簡単な系で行うことを計画している。２０２２年度は１＋１次元U(1)ゲージ理論であるシュウィンガー模型を扱い、研究課題の遂行に必要な手順である「量子回路上の熱的状態準備」の実装を行なった。具体的には、「量子虚時間発展法(Quantum Imaginary Time Evolution)」と呼ばれるアルゴリズムを利用し、熱的状態をよく近似する純粋状態である「熱的量子純粋状態(Thermal Pure Quantum state)」を量子回路上で表現した。さらにこれに基づき、有限密度・有限温度シュウィンガー模型でカイラル相転移の秩序変数であるカイラル凝縮等の量子計算を行なった。ただし、量子計算を行う際には古典的な量子シミュレータを用いた。現在はこの手法をより一般的な系にも適用すべく、アルゴリズムの改善と効率化に取り組んでいる。