Simulazione quantistica digitale della dinamica di campi interagenti

Abstract degli autori

La materia in condizioni estreme si comporta come un sistema quantistico fuori equilibrio e a interazione forte. Questi sistemi si trovano nel regime non perturbativo della cromodinamica quantistica (QCD), in cui la loro evoluzione temporale è intrattabile con metodi classici. La computazione quantistica offre un’alternativa promettente, ma i dispositivi attuali hanno un numero limitato di qubit e una profondità dei circuiti limitata: formulazioni e algoritmi efficienti sono quindi essenziali per arrivare a simulazioni della QCD rilevanti per gli esperimenti. Viene definito un quadro scalabile per simulare la perdita di energia e l’adronizzazione nella teoria di gauge SU(2) su reticolo in 1+1 dimensioni, in cui un quark pesante attraversa un reticolo di quark leggeri. I metodi classici della QCD su reticolo vengono tradotti in circuiti basati sulla fisica per preparare lo stato fondamentale del sistema interagente. L’evoluzione viene eseguita sul processore quantistico ibm_pittsburgh di IBM, dove si misurano la distribuzione di carica e la perdita di energia. Un ulteriore studio sviluppa la simulazione quantistica dell’hamiltoniana SU(2) con gauge completamente fissata in una base mista, una formulazione che dovrebbe rimanere efficiente per tutti i valori dell’accoppiamento di gauge. La digitalizzazione dei campi di gauge continui con appena tre qubit per plaquette riproduce le osservabili a bassa energia con una precisione di $10^{-3}$. L’estensione a sistemi più grandi è limitata dalle risorse aggiuntive necessarie, il che motiva l’uso di troncamenti che preservino le osservabili rilevanti. La Sequency Hierarchy Truncation (SeqHT) sfrutta la gerarchia dei contributi degli operatori di base. Applicata alla preparazione adiabatica dello stato fondamentale di $λφ^4$ su ibm_sherbrooke, SeqHT riduce la profondità dei circuiti di ~30%, attenuando il rumore dell’hardware nelle osservabili ricavate. Tutte le simulazioni di questa tesi sono validate su hardware quantistico mediante il confronto con benchmark classici. Questi studi fanno progredire le simulazioni quantistiche della dinamica della QCD in tempo reale.