量子シミュレーション：中性原子量子コンピューターを用いて探るキタエフハニカム模型
Nature 645, 8080 doi: 10.1038/s41586-025-09475-0
多体系の量子シミュレーションは、量子コンピューターの最も有望な応用の1つである。具体的には、強相関フェルミオンに基づく模型は、量子化学や物質問題の理解の中心を占めており、エキゾチックなトポロジカル物質相につながる可能性がある。しかしフェルミオンの非局所的性質のために、キュービットデバイスを用いてそのような模型をシミュレートすることは難題である。今回我々は、再構成可能な原子アレイに基づく、二次元フェルミオン系に向けたデジタル量子シミュレーションアーキテクチャーを実現した。我々は、ハニカム格子上のキタエフ模型に基づく、フェルミオンからキュービットへのマッピングを利用し、この際フェルミ統計は、長距離エンタングルメント状態を使用して符号化される。我々は、こうした状態を測定とフィードフォワードを使用して効率的に準備し、その後のフェルミオン発展を、原子再配置を挟んだ調整可能なエンタングルメントゲートを用いたフロケエンジニアリングを通じて実現して、組み込みエラー検出を用いて結果を改善した。我々は、キタエフスピン模型のこうしたフェルミオン記述を活用し、複雑な相図全体にわたってトポロジカル状態を効率的に準備するとともに、奇数チャーン数を評価することによって非アーベル型スピン液体相を検証した。我々はまた、調整可能なダイナミクスを実現してフェルミ交換統計を直接探ることにより、この二次元フェルミオン系を調べた。さらに我々は、強い相互作用をシミュレートし、正方格子上でのフェルミ・ハバード模型のダイナミクスを調べた。これらの結果は、材料科学、化学、高エネルギー物理学における複雑なフェルミオン系のデジタル量子シミュレーションへの道を開く。
