Circuito Qudit Eficiente para Dinâmica de Queima na Eletrodinâmica de Links Quânticos 2+1D

Um dos principais desafios no crescente campo da simulação quântica para física de altas energias é a realização de teorias de gauge em rede 2+1D escaláveis em hardware quântico de última geração, que é um passo essencial em direção ao objetivo geral de investigar a cromodinâmica quântica 3+1D em um computador quântico. Apesar dos grandes avanços, as implementações experimentais atuais de teorias de gauge em rede 2+1D estão, em sua maioria, restritas a tamanhos de sistema relativamente pequenos e representações de dois níveis dos campos de gauge e elétricos. Aqui, propomos um método eficiente em termos de recursos para simular quânticamente teorias de gauge em rede de/link quântico U(1) spin-S 2+1D com matéria dinâmica usando processadores qudit baseados em qubit. Ao integrar os campos de matéria através da lei de Gauss, reformulamos o modelo de link quântico em uma imagem puramente de spin compatível com codificação de qudit em dimensões espaciais arbitrárias, eliminando a necessidade de qubits auxiliares e reduzindo a sobrecarga de recursos. Focando primeiro no caso spin-1/2, construímos circuitos explícitos para o Hamiltoniano completo e demonstramos por meio de simulações numéricas que os circuitos Trotterizados de primeira ordem capturam com precisão a dinâmica de queima, mesmo na presença de níveis de ruído realistas. Além disso, introduzimos um método geral para a construção de circuitos de termos de acoplamento para representações de spin mais elevadas S>1/2. Comparado às codificações convencionais de qubits, nossa estrutura reduz significativamente o número de recursos quânticos e a contagem de portas. Nossa abordagem melhora significativamente a escalabilidade e fidelidade para investigar fenômenos fora do equilíbrio em teorias de gauge em rede de dimensões superiores, e é prontamente aplicável à implementação em plataformas qudit de última geração.