[論文レビュー] Quantum critical dynamics in a 5000-qubit programmable spin glass

Andrew King, Jack Raymond+25 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2022

Theoretical and Computational Physics被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、D-Wave Advantage量子アンネーリングマシンを用いて、5000キュービットのプログラマブルな超伝導スピンガラスにおいて、量子臨界ダイナミクスを実証した。小さな系では、量子アンネーリングとシュレーディンガー方程式の時間発展との間で定量的な一致を示し、古典的モンテカルロ法とは区別できる臨界指数を抽出した。これにより、エネルギー低減の時間的スケーリングにおいて、量子アンネーリングに優位性がある実験的・理論的証拠が得られた。

ABSTRACT

Experiments on disordered alloys suggest that spin glasses can be brought into low-energy states faster by annealing quantum fluctuations than by conventional thermal annealing. Due to the importance of spin glasses as a paradigmatic computational testbed, reproducing this phenomenon in a programmable system has remained a central challenge in quantum optimization. Here we achieve this goal by realizing quantum critical spin-glass dynamics on thousands of qubits with a superconducting quantum annealer. We first demonstrate quantitative agreement between quantum annealing and time-evolution of the Schrödinger equation in small spin glasses. We then measure dynamics in 3D spin glasses on thousands of qubits, where simulation of many-body quantum dynamics is intractable. We extract critical exponents that clearly distinguish quantum annealing from the slower stochastic dynamics of analogous Monte Carlo algorithms, providing both theoretical and experimental support for a scaling advantage in reducing energy as a function of annealing time.

研究の動機と目的

• 大規模なプログラマブルなスピンガラス系における量子臨界ダイナミクスを実験的に実証すること。
• 小さなスピンガラス系において、量子アンネーリングがシュレーディンガー方程式の時間発展と一致することを検証すること。
• 古典的シミュレーションが困難な数千キュービットの3次元スピンガラスにおいて、臨界指数を測定・抽出すること。
• 残留エネルギーの減衰とスケーリング行動の観点から、量子アンネーリングの性能を古典的シミュレートアンネーリング（SA）およびシミュレート量子アンネーリング（SQA）と比較すること。
• 複雑なスピンガラス系の最適化において、量子優位性の実験的・理論的証拠を提供すること。

提案手法

• 本研究では、D-Wave Advantage量子アンネーリングマシンを用いて、超伝導フラックスキュービットのプログラマブルな格子上に横磁場イジング模型を実現した。
• 系は量子パラメグネティック状態に初期化され、時間に依存するアンネーリングスケジュールに従い、横磁場Γ(s)とイジング結合J(s)を調整することで断続的に時間発展した。
• 量子ダイナミクスは、残留エネルギーと秩序パラメータをアンネーリング時間の関数として測定し、動的スケーリング解析から臨界指数を抽出することで調査された。
• 実験は、シミュレートアンネーリング（SA）および経路積分モンテカルロに基づくシミュレート量子アンネーリング（SQA）を含む古典的モンテカルロ法とベンチマークされた。
• キャリブレーションの最適化技術として、アンネーリングオフセットおよびフラックスオフセットシミングが適用され、結合の不均一性を均一化し、キュービットの磁化をバランスさせ、臨界指数推定のためのデータ品質を向上させた。
• スピンガラスの埋め込みには、論理的問題サイズを縮小するための強磁性二重子を用い、埋め込み済みモデルと縮約された論理モデルの比較を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模なプログラマブルなスピンガラス系における量子アンネーリングは、量子相転移の臨界ダイナミクスを再現できるか？
• RQ2 量子アンネーリングから抽出された臨界指数は、古典的モンテカルロシミュレーションの結果とどのように比較できるか？
• RQ3 量子臨界定常状態の下で、量子アンネーリングは古典的シミュレートアンネーリング（SA）およびシミュレート量子アンネーリング（SQA）よりも速やかに残留エネルギーを低減できるか？
• RQ4 キャリブレーションの最適化は、大規模な量子アンネーリング実験における臨界指数推定の正確性をどの程度向上させるか？
• RQ5 スピンガラス系における残留エネルギー低減において、量子アンネーリングは古典的手法に比べて測定可能なスケーリング優位性を示すか？

主な発見

• 小さなスピンガラス系において、量子アンネーリングは時間発展シュレーディンガー方程式と定量的に一致し、プロセッサの量子シミュレーション能力が検証された。
• 5000キュービットの3次元スピンガラスから抽出された臨界指数は、量子アンネーリングと古典的確率的ダイナミクスの間に明確な違いを示し、緩和メカニズムの根本的な相違を示している。
• 残留エネルギーの減衰において、量子アンネーリングはシミュレートアンネーリング（SA）およびシミュレート量子アンネーリング（SQA）よりも著しく速く、コherentな量子状態領域でスケーリング優位性が観察された。
• アンネーリングおよびフラックスオフセットシミングを含むキャリブレーションの最適化は、不均一な不釣合さの均一化とバランスの取れたキュービット磁化を実現するために不可欠であり、信頼性のある臨界指数推定を可能にした。
• 古典的手法に影響を与えない埋め込みのオーバーヘッドが存在するにもかかわらず、量子アンネーリングは残留エネルギーの絶対値およびスケーリング行動の両面で、シミュレートアンネーリングを上回った。
• 本研究は、量子臨界ダイナミクスを介した複雑なスピンガラス問題の最適化における量子優位性について、実験的・理論的根拠を提供した。