量子・古典ハイブリッド新フレームワークが多体系の構造・ダイナミクス計算への道を開く(New Quantum-classical Framework Paves Way for Many-body Structure and Dynamics Calculations)

2026-08-11 中国科学院(CAS)

中国科学院近代物理研究所(IMP)などの国際研究チームは、核多体系の構造とダイナミクスを計算する新たな量子・古典ハイブリッド計算フレームワークを開発した。従来、粒子数の増加に伴いヒルベルト空間が指数関数的に拡大する「指数の壁」が、強相関量子系の第一原理計算を困難にしていた。研究チームは、多フェルミオン・ハミルトニアンの固有対称性を保持しつつ、量子回路のゲート数を抑制できる新しい量子符号化方式を考案。これを基盤に、グリーン関数やスペクトル関数を計算可能な量子・古典統合手法を構築した。現実的な核子間相互作用を用いた酸素20の計算では、束縛状態スペクトルと全角運動量を再現し、古典的な完全配置間相互作用計算や実験データとも良好に一致した。将来の耐故障量子コンピューターによる核構造・核ダイナミクスの第一原理研究への道を開く成果であり、他の強相関多体系への応用も期待される。


(a) Schematic illustration of the quantum-classical hybrid algorithm framework. (b) Excitation energies and total angular momentum J values of the energy eigenstates of oxygen-20 calculated based on this framework, and their comparison with classical full configuration interaction results and experimental values. (c-f) Schematic illustrations of spectral-function scans of oxygen-20 under different total angular momentum projections and energy resolutions. (Image from IMP)

<関連情報>

量子コンピュータ上での第一原理多フェルミオン構造計算 Ab initio many-fermion structure calculations on a quantum computer

Weijie Du, Yangguang Yang, Zixin Liu, Chao Yang, and James P. Vary
Physical Review C  Published: 12 June, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/1spg-5ld3

Abstract

To overcome the limitations of existing algorithms for solving self-bound quantum many-body problems—such as those encountered in nuclear and particle physics—that access only a restricted subset of energy levels and provide limited structural information, we introduce and demonstrate a novel quantum-classical approach capable of resolving the complete bound-state spectrum. This method also provides the total angular momentum associated with each eigenstate. Our approach is based on expressing the Hamiltonian in second-quantized form within a novel input model combined with a scan scheme, enabling broad applicability to configuration-interaction calculations across diverse fields. We apply this hybrid method to compute, for the first time, the bound-state spectrum together with corresponding values of 20O using a realistic strong-interaction Hamiltonian. Our approach applies to hadron spectra and values solved in the relativistic basis light-front quantization approach.

1600情報工学一般
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