[論文レビュー] Quantum Approximate Optimization with a Trapped-Ion Quantum Simulator

Guido Pagano, Aniruddha Bapat+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、調整可能な長距離相互作用を有する横磁場イジング模型の基底状態エネルギーを近似するために、最大40量子ビットを用いて、捕獲イオン量子シミュレータ上で浅い深さの量子近似最適化アルゴリズム（QAOA）の初回実装を示している。変分パラメータ探索と古典的最適化を組み合わせ、効率的な1回測定による測定を実施することで、QAOA出力分布の高精度なサンプリングを達成した。

ABSTRACT

Quantum computers and simulators may offer significant advantages over their classical counterparts, providing insights into quantum many-body systems and possibly solving exponentially hard problems, such as optimization and satisfiability. Here we report the first implementation of a shallow-depth Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) using an analog quantum simulator to estimate the ground state energy of the transverse field Ising model with tunable long-range interactions. First, we exhaustively search the variational control parameters to approximate the ground state energy with up to 40 trapped-ion qubits. We then interface the quantum simulator with a classical algorithm to more efficiently find the optimal set of parameters that minimizes the resulting energy of the system. We finally sample from the full probability distribution of the QAOA output with single-shot and efficient measurements of every qubit.

研究の動機と目的

• 捕獲イオン量子シミュレータ上で浅い深さの量子近似最適化アルゴリズム（QAOA）を実装すること。
• 調整可能な長距離相互作用を有する横磁場イジング模型の基底状態エネルギーを、最大40量子ビットの捕獲イオン量子ビットを用いて推定すること。
• 量子シミュレーションと古典的最適化を統合し、最適な変分パラメータを効率的に特定すること。
• 全量子ビットにわたるQAOA出力確率分布を高精度で1回測定でサンプリングすること。

提案手法

• 調整可能な長距離相互作用を有する横磁場イジングハミルトニアンを実現する捕獲イオン量子シミュレータを用いる。
• レーザー駆動ラマン遷移を介して動的に生成されたスピン-スピン相互作用を用いて、浅い深さのQAOA回路を実装する。
• 40量子ビットで基底状態エネルギーを近似するために、変分制御パラメータの網羅的探索を実施する。
• 量子シミュレータを古典的最適化アルゴリズムと統合し、最適なパラメータ集合に効率的に収束させる。
• 1回測定による高精度な測定を用いて、QAOA状態の全出力確率分布をサンプリングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最大40量子ビットの捕獲イオン量子シミュレータ上で、浅い深さのQAOAを成功裏に実装できるか？
• RQ2 長距離相互作用を有するイジング模型の基底状態エネルギーを近似するために、変分パラメータをどの程度効果的に最適化できるか？
• RQ3 量子シミュレーション環境において、古典的最適化がQAOA最適パラメータへの収束をどの程度加速できるか？
• RQ4 全量子ビットにわたるQAOA出力分布のサンプリングにおいて、1回測定の忠実度と効率性はどの程度か？

主な発見

• QAOAは最大40量子ビットの捕獲イオン量子シミュレータ上で成功裏に実装され、このアプローチのスケーラビリティが示された。
• 変分パラメータ探索により、長距離相互作用を有する横磁場イジング模型の基底状態エネルギーが正確に近似された。
• 古典的最適化により、最適パラメータを求める際の探索空間が顕著に削減され、その効率が向上した。
• 高精度な1回測定により、全量子ビットにわたるQAOA出力確率分布の効率的かつ完全なサンプリングが可能になった。