2021 Fiscal Year Research-status Report
Application of quantum computing for particle physics event generators
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20K22347
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
飯山 悠太郎 東京大学, 素粒子物理国際研究センター, 助教 (10878177)
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| Project Period (FY) |
2020-09-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、最終目的である高エネルギー粒子散乱過程の量子計算機によるシミュレーションを実現するために、計画を二つの段階に分け、第1段階を既知の確率分布の量子計算機による実装手法の確立、第2段階を粒子散乱過程の素粒子物理学的記述（ラグランジアン）を直接シミュレーションに結びつける方法の開発、としていた。
2021年度は、前年度に引き続き第1段階の検討から始めたが、研究を進めるにつれて、当初想定していたように「古典計算機で計算された散乱断面積を量子計算機の状態に焼き直す」という方法が、トイモデル以外の粒子散乱では原理的に難しいということが明らかになった。そこで、研究計画の第1段階の達成を断念し、第2段階に注力することにした（第2段階の研究は第1段階の成否によらず遂行可能）。
ラグランジアンから粒子散乱の計算を行うというのは、場の量子論のシミュレーションをすることと等価である。量子計算機による場の量子論のシミュレーション手法としては、空間を格子に区切り、各格子点を量子計算機のレジスタに対応させる手法がよく知られている。これを用いると、量子場の非摂動的な振る舞いが計算でき、強相関系や高粒子密度系が記述できる。しかし、この手法で高エネルギーの粒子散乱を記述するのには莫大な数の量子ビットが必要となり、長期的な量子計算機の発展を考えても到底実現が不可能であると考えられる。いっぽう、高エネルギー粒子散乱の素過程では摂動近似が十分に機能し、低次の摂動項には高々数個の粒子しか登場しない。そこで、2021年度の後半からは、量子計算機上で摂動的に場の量子論のシミュレーションをする方法の検討を始めた。具体的には、場の理論をあえて量子多体系の理論とみなし、量子計算機のレジスタを格子点ではなく粒子に対応させることで、従来手法の量子ビット数の対数的な数の量子ビットを必要とするようなアルゴリズムを開発している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
第1段階としていた、既知の複雑な確率分布を量子計算機の量子状態に焼き直すという手法が、原理的に難しいということが判明するまでに時間を要した。
第2段階については、本研究計画中の到達点を当初計画では設定していなかったが、実績の概要で説明したように、場の量子論の摂動的なシミュレーションを量子計算機で行う構想が立てられたため、それをまずアイディアとして2021年度中に論文にまとめることを目標としていた。しかし、全く新規の手法であり、実現性を詳細に検討していたため、発表するまでには至らなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
場の量子論を量子多体系の理論として捉え直し、量子計算機でシミュレートする手法をまず定式化し、論文として発表する。その後、実際の高エネルギー粒子散乱過程にできるだけ近い系でのシミュレーションの実装・デモンストレーションを目指す。大規模な古典計算リソースが必要となるため、HPCなどを利用することになり、そのためのソフトウェアの開発も行う。2022年度中にデモンストレーションを完成させる。
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| Causes of Carryover |
量子場の理論の量子計算機でのシミュレーションは、まだ既存の量子計算機では機械のエラーが多すぎて行うことができない。そのため量子計算そのもののシミュレーションを古典計算機で行うことになるが、それには大規模な計算リソースが必要となり、HPCなどを利用することになる。2021年度中はそのようなシミュレーションを実装するまで研究が進行しなかったため、HPC利用料などのために確保していた研究費を使用しなかった。
2022年度はHPC利用をし、成果を学会等で発表する予定であり、次年度使用額をそれらに充てる。
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Research Products
(1 results)
