[論文レビュー] Classical signature of quantum annealing

John A. Smolin, Graeme Smith|arXiv (Cornell University)|May 21, 2013

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、D-Wave Oneプロセッサで観測された量子アニーリングの特徴とされる主要な挙動を再現する古典的モデル——「古典的コンパスダイナミクス」——を提示する。ノイズが影響するスピンの決定的進化をグラフ上でシミュレートすることで、実験で観察された二峰性の成功確率分布と基底状態の抑制を再現し、これらの現象が量子効果を特徴づけるものではないことを示している。

ABSTRACT

A pair of recent articles concluded that the D-Wave One machine actually operates in the quantum regime, rather than performing some classical evolution. Here we give a classical model that leads to the same behaviors used in those works to infer quantum effects. Thus, the evidence presented does not demonstrate the presence of quantum effects.

研究の動機と目的

• D-Wave Oneマシンにおける特定の実験的挙動が、量子アニーリングの決定的証拠であるという解釈に挑戦すること。
• ノイズを含む古典的で決定的なダイナミクスが、主張される量子効果と同一の統計的特徴を再現できることを示すこと。
• 最適化タスクにおける観察された二峰性の成功確率分布が、本質的に量子的ではなく、ノイズを含む古典的アディアバティック進化から生じうることを主張すること。
• 『基底状態のアディアバティックドラッグ』——量子アニーリングではなく、それより適切に説明されるプロセス——を提唱し、その古典的アナロジーを強調すること。
• より強く、より厳密な基準がない限り、実験結果を量子加速の証拠と解釈しすぎないよう警告すること。

提案手法

• 時間に依存するハミルトニアンに従って決定的に進化するスピンをもつ古典的コンパスモデルを開発し、アディアバティック進化を模倣する。
• 離散的な時間間隔でランダムなノイズ（角速度へのキック）を適用し、環境的影響をシミュレートするが、熱的ノイズや詳細つり合いを導入しない。
• Ref. [1] および [2] で使用された同一の結合定数と磁場を用いて、8スピン系と108スピンのD-Waveインスタンスをシミュレートし、ドラッグ時間 T を用いる。
• 横方向および縦方向の磁場を含む古典的ハミルトニアンを用い、レベルクロスイングを避けるために回避クロスイングを経由する経路にスピン状態を駆動する。
• ノイズあり・なしの両方のシミュレーションを実行し、二峰性の成功確率分布の頑健性を評価し、元のD-Waveおよびシミュレーテッドアニーリングの結果と比較する。
• 1インスタンスあたり1回の決定的走行と、1インスタンスあたり30回のノイズあり走行を実施し、成功確率分布を評価し、二峰性パターンを再現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノイズを含む古典的決定的ダイナミクスは、D-Waveの108スピン実験で観察された二峰性の成功確率分布を再現できるか？
• RQ2 8スピン系における孤立基底状態の抑制とクラスタ状態確率の増加は、量子的挙動を示唆するのか、それとも古典的に説明可能か？
• RQ3 D-Waveマシンで観察された挙動は真に量子アニーリングを示唆するものなのか、それとも古典的アディアバティック進化にノイズを加えたものに起因するのか？
• RQ4 古典的アナロジーとしてのアディアバティック進化は、量子優位性を示すとされる主要な実験的特徴を再現できるか？
• RQ5 古典的アディアバティックドラッグにおけるノイズの役割は何か？ そして、シミュレーテッドアニーリングと類似した形で性能を向上させるのか？

主な発見

• 古典的コンパスモデルは、108スピンインスタンスにおいてD-Wave Oneマシンで観察された二峰性の成功確率分布を正確に再現し、249例は常に解決され、251例は決して解決されない。
• ノイズを加えると、モデルは二峰性分布を維持し、500例中401例で30回の試行内で少なくとも1回は基底状態が達成される。ノイズが性能を向上させることを示している。
• 8スピン系における基底状態の抑制（p_s < p_C）は、古典的モデルでも再現され、これが量子的特徴であるとする主張に反する。
• 決定的アディアバティック進化にノイズを加えることで、量子アニーリングに帰属される結果と区別がつかない結果が得られることを示し、これらの特徴の量子的起源に疑問を呈する。
• 古典的モデルの成功は、観察された挙動がD-Waveシステムにおける量子性や量子加速の十分な証拠ではないことを示唆する。
• 著者らは、量子優位性を主張するには、より強い証拠が必要であると結論づける。なぜなら、古典的システムでも報告された現象を再現できるからである。