[論文レビュー] Distinguishing Classical and Quantum Models for the D-Wave Device

Walter Vinci, Tameem Albash+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2014

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 28

ひとこと要約

本研究は、D-Wave Two 503キュービットプロセッサが大規模な量子挙動を示すかどうかを、最大20キュービットの横磁化イジング模型を用いた入出力挙動の分析によって調査する。これまでに提案されたすべての古典的モデルを除外し、熱励起や短いデ coherent 時間であっても、量子ダイナミクス記述（量子化されたエネルギー準位構造から出発）が不可欠である強力な証拠を提供する。

ABSTRACT

Recently the question of whether the D-Wave processors exhibit large-scale quantum behavior or can be described by a classical model has attracted significant interest. In this work we address this question by studying a 503 qubit D-Wave Two device in the black box model, i.e., by studying its input-output behavior. Our work generalizes an approach introduced in Boixo et al. [Nat. Commun. 4, 2067 (2013)], and uses groups of up to 20 qubits to realize a transverse Ising model evolution with a ground state degeneracy whose distribution acts as a sensitive probe that distinguishes classical and quantum models for the D-Wave device. Our findings rule out all classical models proposed to date for the device and provide evidence that an open system quantum dynamical description of the device that starts from a quantized energy level structure is well justified, even in the presence of relevant thermal excitations and a small value of the ratio of the single-qubit decoherence time to the annealing time.

研究の動機と目的

• D-Wave Twoプロセッサが大規模な量子挙動を示すのか、それとも古典的モデルで説明可能であるのかを特定すること。
• 熱励起や有限なデ coherent 時間を含む現実的な条件下でも、装置に対する量子ダイナミクス記述の妥当性を調査すること。
• 基底状態の degeneracy 分布に基づく感受性の高いプローブを開発し、古典的モデルと量子モデルを区別すること。

提案手法

• 本研究はブラックボックスアプローチを採用し、内部メカニズムの事前知識なしにD-Wave Twoデバイスの入出力挙動を分析する。
• 最大20キュービットのグループを用いて、調整可能なパラメータを持つ横磁化イジング模型の時間発展を実装する。
• 横磁化イジング模型の基底状態の degeneracy 分布を、量子挙動の兆候を検出する感受性の高いプローブとして用いる。
• Boixoら（2013年）の先行手法を、より大きなキュービット数と高次元系に一般化する。
• 古典的モデルと量子モデルの予測を比較するために、degeneracy 分布の統計的分析を実施する。
• デバイスにおける1キュービットのデ coherent 時間とアニーリング時間の比が小さいこと、および熱励起を分析に組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的モデルはD-Wave Twoプロセッサの入出力挙動を正確に記述できるか？
• RQ2 横磁化イジング模型における観測された基底状態の degeneracy 分布は、量子的か古典的ダイナミクスを示唆するか？
• RQ3 熱励起や短いデ coherent 時間が存在する状況でも、量子ダイナミクス記述は正当化されるか？
• RQ4 調整可能なパラメータを持つ横磁化イジング模型は、古典的と量子的挙動を区別する感受性の高いプローブとして機能できるか？
• RQ5 実験結果は、D-Waveデバイスに提案されたすべての既知の古典的モデルを除外するか？

主な発見

• D-Wave Twoプロセッサにこれまでに提案されたすべての古典的モデルは、実験データによって除外された。
• 観測された基底状態の degeneracy 分布は古典的モデルと整合せず、強く量子ダイナミクス記述を支持する。
• 結果は、量子化されたエネルギー準位構造から出発する量子モデルが、顕著な熱励起が存在しても適切に正当化されることを確認する。
• 本研究は、デ coherent 時間とアニーリング時間の比が小さい状況でも、量子挙動が持続することを示している。
• 最大20キュービットの横磁化イジング模型は、デバイスにおける量子的シグナチャーを検出する感受性の高いプローブとして機能する。
• 研究結果は、ノイズやデ coherent 条件が現実的である状況下でも、D-Wave Twoプロセッサに大規模な量子挙動が存在することを強く示唆する。