[論文レビュー] Digital quantum simulation of NMR experiments

Kushal Seetharam, Debopriyo Biswas+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2021

Advanced NMR Techniques and Applications参考文献 36被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、トラップイオン量子コンピュータを用いて、最初のデジタル量子シミュレーションによる核磁気共鳴（NMR）スピンエコーの実現を示した。4キュービットを用いてアセトニトリルのメチル基のゼロ場NMRスピンエコーをシミュレートした。圧縮センシングと最適化された量子回路合成を適用することで、サンプリングコストを10分の1に削減し、高いスペクトル分解能を達成した。これにより、近い将来の量子ハードウェアで古典的に困難なNMR系を効率的にシミュレート可能となった。

ABSTRACT

Simulations of nuclear magnetic resonance (NMR) experiments can be an important tool for extracting information about molecular structure and optimizing experimental protocols but are often intractable on classical computers for large molecules such as proteins and for protocols such as zero-field NMR. We demonstrate the first quantum simulation of an NMR spectrum, computing the zero-field spectrum of the methyl group of acetonitrile using four qubits of a trapped-ion quantum computer. We reduce the sampling cost of the quantum simulation by an order of magnitude using compressed sensing techniques. We show how the intrinsic decoherence of NMR systems may enable the zero-field simulation of classically hard molecules on relatively near-term quantum hardware and discuss how the experimentally demonstrated quantum algorithm can be used to efficiently simulate scientifically and technologically relevant solid-state NMR experiments on more mature devices. Our work opens a practical application for quantum computation.

研究の動機と目的

• 量子もつれや粉末平均化の影響により古典的コンピュータでは処理が困難な複雑なNMR実験の量子シミュレーションを可能にすること。
• 近い将来の量子ハードウェアを用いた分子構造解析のためのNMRスピンエコーの実用的応用を示すこと。
• 圧縮センシングと効率的な量子回路コンパイルを用いて、古典的に困難なNMR系のシミュレーションにかかるリソースコストを低減すること。
• NMR系に内在するデコherenceを活用することで、比較的小さな量子デバイスでも複雑なダイナミクスをシミュレートできることを示すこと。
• より成熟した量子ハードウェアを用いて固体状態および液体状態のNMR実験をスケーラブルにシミュレートするフレームワークを確立すること。

提案手法

• 171Yb+イオンを用いたトラップイオン量子コンピュータを用い、NMRダイナミクスを模倣するユニタリ推進シーケンスを実装するデジタル量子シミュレーション。
• アセトニトリルのメチル基のハミルトニアンをゼロ場条件下で模倣する量子回路の実装。
• 量子回路実行回数を10分の1に削減するため、圧縮センシング技術の適用。
• 最新の量子回路合成アルゴリズムを用いてゲートシーケンスを最適化し、ハードウェア制約内でのスペクトル分解能を向上。
• 複数のハミルトニアンインスタンスを量子デバイス上でアンサンブルシミュレーションすることで、系の配向に関する粉末平均化をシミュレート。
• NMR系に内在するデコherenceを活用し、完全なコhereneceを維持しなくても、複雑なダイナミクスのシミュレーションを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デジタル量子シミュレーションは、古典的コンピュータでは処理が困難な複雑なスピンダイナミクスを示す分子のNMRスピンエコーを正確に計算できるか？
• RQ2 圧縮センシングは、NMRスピンエコーの量子シミュレーションにおけるサンプリングコストをどの程度低減できるか？
• RQ3 近い将来の量子ハードウェアは、小さなバイオ分子のゼロ場NMR実験を高いスペクトル分解能でシミュレートできるか？
• RQ4 NMR系に内在するデコherenceは、古典的に困難なダイナミクスを量子デバイスでシミュレートする可能性にどのように影響するか？
• RQ5 リソースコストが単一配向シミュレーションと同等になるように、粉末平均化NMRスピンエコーの量子シミュレーションが可能か？

主な発見

• アセトニトリルのメチル基のゼロ場NMRスピンエコーの量子シミュレーションは、実験データと定量的に一致し、共振周波数はデバイスの分解能限界内に一致した。
• シミュレートされたスピンエコーのピーク強度は、実験NMRスピンエコーで観測された順序と一致し、量子シミュレーションの忠実度が確認された。
• 圧縮センシングにより、サンプリングコストが10分の1に削減され、量子NMRスピンエコーのシミュレーションにおけるリソース効率が顕著に向上した。
• 最適化された量子回路合成と個々のキュービットの制御により、ハードウェア制約下でも高いスペクトル分解能を達成した。
• 本手法により、リソースコストが単一配向シミュレーションと同等の水準で、粉末平均化固体状態NMRスピンエコーの効率的シミュレーションが可能となった。
• 強い双極子相互作用とコherenteなダイナミクスを示す系において、量子優位性を実現するための実用的道筋が示された。