Application of quantum computing for particle physics event generators

量子计算在粒子物理事件发生器中的应用

• 批准号: 20K22347
• 负责人: 飯山 悠太郎
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-09-11 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K22347/
• 关键词: 量子コンピュータ; 高エネルギー物理学; 場の量子論; イベントジェネレータ; 量子コンピューティング; 実験素粒子物理; 素粒子物理シミュレーション; 素粒子物理学シミュレーション

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.

2021财年，我发现原来的研究计划的两个步骤中的第一步在原则上是困难的，因此我决定致力于第二步（从粒子物理描述粒子散射过程的直接模拟）。 2022 财年，我们继续解决这个问题。量子场论是粒子物理学的基础，可以看作是多体量子力学的无限自由度极限。通常，在计算机上模拟量子场论（无论是经典场论还是量子场论）时，无限自由度（连续时空）由离散的有限网格表示。在这种情况下，在量子计算机上的模拟中，格点的数量与计算所需的量子比特的数量成正比，特别是，大量的量子比特被用于高能过程的计算。然而，如果在高能粒子散射过程中可以进行扰动计算，并且我们关注的是只有有限数量的粒子对每个扰动阶次做出贡献，我们可以说基于粒子的离散化，即减少多体系统到量子力学，我可以想到一种方法。在这种方法中，所需的量子位数量与模拟中包含的粒子数量成正比，并且晶格点的数量（由于位置和动量之间的双重关系，对应于粒子动量的动态范围）对数缩放。这种基于粒子的模拟的基础是在2021年的这项研究中独立制定的，但后来发现Barata等人[1]在2020年的一篇论文中提出了几乎相同的内容，并且这项研究的有效性。方法得到了证实。 2022 年，我们在量子计算模拟器上实现了本文提出的算法。 [1] Barata 等人，物理评论 A 103 (4)：042410。

项目成果

Measurement-Free Ultrafast Quantum Error Correction by Using Multi-Controlled Gates in Higher-Dimensional State Space

高维状态空间中多控门的免测量超快量子纠错

• 发表时间: 2022
• 期刊: arXiv:2109.00086
• 作者: Toshiaki Inada;Wonho Jang;Yutaro Iiyama;Koji Terashi;Ryu Sawada;Junichi Tanaka;Shoji Asai
• 通讯作者: Shoji Asai

Quantum state preparation with multiplicative amplitude transduction

通过乘法振幅转换进行量子态制备

• 发表时间: 2020
• 期刊: arXiv:2006.00975
• 作者: Yutaro Iiyama