二维量子链接电动力学淬火动力学的高效量子比特电路

高能物理量子模拟这一新兴领域的重大挑战在于,如何在最先进的量子硬件上实现可扩展的2+1维晶格规范理论——这是实现量子计算机上探测3+1维量子色动力学终极目标的关键步骤。尽管已取得重大进展,当前2+1维晶格规范理论的实验实现仍受限于较小系统规模,且规范场与电场只能采用二能级表示。本研究提出了一种资源高效的量子模拟方法,利用基于qudit的量子处理器模拟带有动力学物质的2+1维自旋-S U(1)量子链接晶格规范理论。通过高斯定律积分掉物质场,该团队将量子链接模型重新表述为纯自旋图像,使其适用于任意空间维度的qudit编码,不仅免除了辅助量子比特需求,还显著降低了资源开销。聚焦于自旋-1/2情形,研究人员构建了完整哈密顿量的显式量子电路,并通过数值模拟证明:即便存在实际噪声水平,一阶Trotter分解电路仍能精确捕捉淬火动力学。此外,该工作还提出了构建高自旋表示(S>1/2)耦合项电路的通用方法。相较于传统量子比特编码方案,该框架使量子资源用量和门操作数量大幅减少。这一方法显著提升了探测高维晶格规范理论中非平衡现象的可扩展性与保真度,并可直接应用于最先进的qudit平台。

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