[論文レビュー] Gap-independent cooling and hybrid quantum-classical annealing

Lukas Theis, Peter Schuhmacher+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2018

Quantum and electron transport phenomena参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、共面波ガイド（CPW）を横方向に結合させることで、エネルギー準位ギャップに依存しない冷却スキームを提案する。この手法により、励起状態からの緩和が促進され、断熱的でない状態での誤差が抑制される。断熱的領域では最大50%の性能向上が達成され、非断熱的領域では数倍の向上が得られ、エネルギー準位ギャップの事前知識がなくても安定した性能を発揮する。

ABSTRACT

In this letter we present an efficient gap-independent cooling scheme for a quantum annealer that benefits from finite temperatures. We choose a system based on superconducting flux qubits as a prominent example of current quantum annealing platforms. We propose coupling the qubit system transversely to a coplanar waveguide to counter noise and heating that arise from always-present longitudinal thermal noise. We provide a schematic circuit layout for the system and show how, for feasible coupling strengths, we achieve global performance enhancements. Specifically, we achieve cooling improvements of about $50\%$ in the adiabatic and a few hundred percent in the non-adiabatic regime, respectively.

研究の動機と目的

• エネルギー準位ギャップ Δ の知識に依存しない冷却機構の開発を目的とする。
• 量子アンケーリングにおける有限なスイープ時間によって生じる断熱的でない誤差の低減を目的とする。
• 有限温度での緩下を用いて、 avoided level crossing 後の基底状態の人口を向上させることを目的とする。
• 横方向のCPW結合が、Δ に依存しない有効な冷却を可能にすることを示すこと。
• 熱的緩下を活用するハイブリッド量子古典的アンケーリング（HQCA）フレームワークの構築を目的とする。

提案手法

• 系は、共面波ガイド（CPW）を介して横方向のオーム的バスタに結合された超伝導フラックスキュービットから構成され、横方向結合強度 αx を制御可能である。
• ダイナミクスは、時間依存駆動 ε(t) = vt（v はスイープ速度）を伴う、散乱を含むランダウ＝ジーナー・スピンボソンハミルトニアンでモデル化される。
• オープン量子系を記述するためにマスター方程式が用いられ、縦方向（σz）および横方向（σx）の熱的バスタへの結合が組み込まれている。
• 横方向結合により緩下率 γr が向上し、avoided crossing 後の基底状態への回復が促進される。
• 数値シミュレーションにより、量子マスター方程式を解き、αx と αz の関数としての最終基底状態人口 pG を計算する。
• Landau-Zener 公式との比較および高散乱領域における古典的ダイナミクスへの遷移の解析により、本スキームの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子アンケーリングにおいて、エネルギー準位ギャップ Δ に依存しない冷却機構を設計できるか？
• RQ2 熱雑音が存在する中で、CPW への横方向結合が緩下および基底状態人口に与える影響は何か？
• RQ3 本スキームの性能向上は、断熱的および非断熱的領域の両方でどの程度達成されるか？
• RQ4 本系は、最終状態の忠実度を向上させる熱的補助緩下を示すか？
• RQ5 本手法は、ギャップの知識が不要な現在の量子アンケーリングプラットフォームへ一般化可能か？

主な発見

• 断熱的領域では、kBT = 5Δ および v = 0.5Δ² の条件下で、提案されたスキームにより基底状態人口が約50%向上する。
• 非断熱的領域では、横方向結合による緩下の向上のおかげで、数倍の向上が達成される。
• αx ≳ 5×10⁻³ の領域では、縦方向結合 αz にかかわらず、ほぼすべての人口が基底状態に戻る。
• pG(αz) の最小値は温度に依存し、高散乱領域における古典的ダイナミクスへの遷移が非単調な挙動を説明する。
• 数値解析（付録B）により、冷却効果は量子ゼノ効果に類似したブロッキングとは異なる、緩下の向上に起因することが確認された。
• 本手法はエネルギー準位ギャップの変動に対して本質的にロバストであるため、実世界の量子アンケーリングデバイスに適している。