[論文レビュー] Coherent quantum annealing in a programmable 2000-qubit Ising chain

Andrew King, Sei Suzuki+22 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2022

Quantum many-body systems被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、2000キュービットのプログラマブルな超伝導イジング鎖において、環境への結合にもかかわらず一貫した量子アニーリングを実証し、閉じた系の量子ダイナミクスと定量的な一致を達成した。量子臨界点においてキッブル＝ツーレクスケーリングと正のキック＝キック相関を観測し、環境結合にもかかわらず一貫した時間発展が実現していることを確認した。

ABSTRACT

Quantum simulation has emerged as a valuable arena for demonstrating and understanding the capabilities of near-term quantum computers. Quantum annealing has been used successfully in simulating a range of open quantum systems, both at equilibrium and out of equilibrium. However, in all previous experiments, annealing has been too slow to simulate a closed quantum system coherently, due to the onset of thermal effects from the environment. Here we demonstrate coherent evolution through a quantum phase transition in the paradigmatic setting of the 1D transverse-field Ising chain, using up to 2000 superconducting flux qubits in a programmable quantum annealer. In large systems we observe the quantum Kibble-Zurek mechanism with theoretically predicted kink statistics, as well as characteristic positive kink-kink correlations, independent of system temperature. In small chains, excitation statistics validate the picture of a Landau-Zener transition at a minimum gap. In both cases, results are in quantitative agreement with analytical solutions to the closed-system quantum model. For slower anneals we observe anti-Kibble-Zurek scaling in a crossover to the open quantum regime. These experiments demonstrate that large-scale quantum annealers can be operated coherently, paving the way to exploiting coherent dynamics in quantum optimization, machine learning, and simulation tasks.

研究の動機と目的

• 環境によるデコherenceにかかわらず、大規模な超伝導量子プロセッサにおいて一貫した量子アニーリングを実証すること。
• プログラマブルな量子アニーラーを用いて、1次元横磁場イジング鎖における量子キッブル＝ツーレクス機構を検証すること。
• さまざまなアニーリング時間と温度におけるキック統計と相関を測定することで、一貫したダイナミクスとオープン系効果を区別すること。
• 有限時間クエンチ中に、不純物とデコherenceが量子相関をどのように抑制するかを評価すること。
• 解析的に解けるモデルを用いて、近い将来の量子アニーラーにおける一貫したダイナミクスのベンチマークを確立すること。

提案手法

• 最大2000キュービットのプログラマブルな超伝導量子アニーラー上で、1次元横磁場イジングハミルトニアンを実装すること。
• 次元なしパラメータ $ s = t/t_a $ で制御される時間依存のアニーリングスケジュールを用い、横磁場 $ ̺(s) $ とイジング結合 $ \mathcal{J}(s) $ の間を調整すること。
• 周期的境界条件と一様な結合 $ J $ を採用し、反強磁性的（正）または強磁性的（負）の値にプログラマブルに設定すること。
• 量子臨界点付近でのトポロジカルな欠陥と相関長を調べるために、キック密度とキック＝キック相関関数を測定すること。
• 実験結果を閉じた系モデルの解析的解と、不純物を含むテンソルネットワークシミュレーション（TEBD）と比較すること。
• ブートストラップリサンプリングを用いて $ 95\% $ 信頼区間を算出し、ブロード次元解析により実験状態のもつれを推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 環境結合があっても、大規模な超伝導量子プロセッサにおいて一貫した量子アニーリングを達成できるか？
• RQ2 観測されたキック統計と相関が、閉じた系モデルにおける量子キッブル＝ツーレクス機構の予測と一致するか？
• RQ3 温度、不純物、およびアニーリング時間は、有限時間クエンチ中に量子相関をどのように抑制または維持するか？
• RQ4 実験データは、一貫したダイナミクスとオープン系のデコherence効果のどちらをどれほど反映しているか？
• RQ5 制御された不純物を含むテンソルネットワークシミュレーションは、実験的なキック＝キック相関関数を再現できるか？

主な発見

• アニーリング時間に伴うキック密度のキッブル＝ツーレクスケーリングが実験で観測され、閉じた量子系の理論的予測と一致した。
• 量子臨界点で正のキック＝キック相関が測定され、温度（10–30 mK）に依存しない一貫したダイナミクスが確認された。
• ゆっくりとしたアニーリングでは、反キッブル＝ツーレクススケーリングが現れ、デコherenceと不純物による影響でオープン系領域への遷移を示した。
• 長時間のアニーリングではキック＝キック相関ピークが抑制され、温度の影響は最小限であった。これは、不純物と拡散が主なメカニズムであることを示唆した。
• TEBDシミュレーションにおけるブロード次元解析により、実験状態のもつれは $ D \geq 20 $ に相当することが示され、顕著な多体もつれが存在することを示した。
• 理論的および実験的キック分布、累積モーメント、相関関数が定量的に一致し、アニーリングプロセスの一貫性が裏付けられた。