ローレンス・バークレー国立研究所（LBNL）主導の研究協力チームが、強い核力によってクォークが結合し陽子や中性子のような複合ハドロンを生成する基礎的な素粒子物理過程であるハドロン化を、物理的な量子プロセッサ上でシミュレーションすることに成功した。LBNL研究科学者のアンソニー・チャヴァレラによって実行され、Physical Review Dに掲載されたこのシミュレーションは、IBM Heronプロセッサ（ibm_torino）上の104個の活性量子ビットを使用して、リアルタイムの弦切断ダイナミクスをマッピングした。アクセスパイプラインは、オークリッジ国立研究所のオークリッジ・リーダーシップ・コンピューティング施設（OLCF）が管理する連邦クラウドアクセス基盤フレームワークである量子コンピュータ・ユーザー・プログラム（QCUP）によって促進された。
強い相互作用がクォークとグルーオンをどのように絡ませるかを支配する基礎物理学である量子色力学（QCD）を正確に計算することは、古典的な二進法スーパーコンピュータにとって手に負えない指数関数的スケーリング問題を提示する。システムサイズや時間ステップが増大するにつれて、古典的アーキテクチャは可能な量子順列のすべての組み合わせを個別に追跡しなければならず、増分ステップごとにメモリ要件が倍増する。量子ビットは本質的に量子重ね合わせとエンタングルメントを利用して、二進法のオーバーヘッドなしに多体粒子相関をモデル化するため、量子プロセッサは本質的に亜原子状態のシミュレーションに最適化されている。チャヴァレラは、簡略化された1次元格子ゲージモデル内で重いクォーク極限を適用することで、短期的なハードウェアエラーの制限を回避し、本質的なゲージ不変性とモデル対称性を完全に保持しながら、可能な状態の空間を切り詰めた。
実用規模の量子シミュレーションにおける主要な技術的ハードルは、リアルタイム進化を実行する前に正確な初期物理真空状態を準備することである。これを解決するため、プロジェクトはワシントン大学でチャヴァレラが共同開発したスケーラブル回路同時変分量子ソルバーを展開した。この技術は、コンパクトな10～12量子ビットグリッド上で安定した低エネルギー真空準備回路を古典的に最適化し、システム拡張に対する回路パラメータのスケーリング方法を決定し、その構造レイアウトを100個以上の物理量子ビットに外挿する。エラー軽減後、Heronプロセッサは古典的な参照と一致する初期段階の弦切断ダイナミクスの再現に成功した。重要なことに、量子実行はグルーオン弦分離の直前の有限温度での局所的な「気化」効果を捉えており、これまで制限された古典近似でのみ観測されていた理論的QCD現象を検証した。
公式プロジェクト発表、機関コンピューティングガイドライン、および管理アクセスパラメータは、オークリッジ・リーダーシップ・コンピューティング施設を通じて確認できる。査読済みの物理的知見と104量子ビット格子性能データセットは、Physical Review Dで直接監査できる。
2026年7月4日
