[論文レビュー] Ultrafast State Preparation via the Quantum Approximate Optimization Algorithm with Long Range Interactions

Wen Wei Ho, Cheryne Jonay+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、近位の量子デバイスにおける超高速な量子状態準備を可能にするために、長距離相互作用（LRIs）を組み込んだ変分量子古典的シミュレーション（VQCS）プロトコルの使用を提案している。長距離相互作用を活用することで回路の深さと操作回数を著しく削減でき、100量子ビット系においてGHZ状態や長距離横磁場イジング模型の臨界点を1反復で99％以上のfideliyで準備できることを示している。

ABSTRACT

State preparation protocols ideally require as minimal operations as possible, in order to be implemented in near-term, potentially noisy quantum devices. Motivated by long range interactions (LRIs) intrinsic to many present-day experimental platforms (trapped ions, Rydberg atom arrays, etc.), we investigate the efficacy of variationally simulating non-trivial quantum states using the Variational Quantum-Classical Simulation (VQCS) protocol explored recently in [SciPost Phys. 6, 029 (2019)], in the presence of LRIs. We show that this approach leads to extremely efficient state preparation: for example, Greene-Horne-Zeilinger (GHZ) states can be prepared with O(1) iterations of the protocol, and a quantum critical point of the long range transverse field Ising model (TFIM) can be prepared with > 99% fidelity on a 100 qubit system with only one iteration. Furthermore, we show that VQCS with LRIs is a promising route for exploring generic points in the phase diagram of the long-range TFIM. Our approach thus provides concrete, ultrafast protocols for quantum simulators equipped with long range interactions.

研究の動機と目的

• 最小限のゲート操作で近位量子デバイス向けに効率的な状態準備プロトコルを開発すること。
• 長距離相互作用（LRIs）が変分量子シミュレーションの効率に与える影響を調査すること。
• GHZ状態や量子臨界点など、非自明な量子状態を高速かつ高精度で準備できることを実現すること。
• 長距離横磁場イジング模型の位相図における一般化された点を、VQCSとLRIsを用いて探索すること。
• 内在的長距離相互作用を有する近位量子シミュレータ向けに実用的で超高速なプロトコルを提供すること。

提案手法

• アーンザツ設計に長距離相互作用（LRIs）を組み込んだVQCSプロトコルの適応。
• 目的ハミルトニアンのエネルギー期待値を最小化するための変分最適化の使用。
• LRIsを活用してもつれを強化し、必要な変分反復回数を削減。
• 調整可能な長距離結合を持つパラメータ化された量子回路を用いて、目的状態を準備。
• 古典的最適化により変分パラメータを最適化し、高精度な基底状態または臨界状態に収束。
• 最大100量子ビットの長距離横磁場イジング模型（TFIM）における性能評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離相互作用を有するVQCSは、回路深さを最小限に抑えて超高速な状態準備を達成できるか？
• RQ2 LRIsの組み込みが、変分状態準備のfideliyおよび収束速度に与える影響は何か？
• RQ3 長距離TFIMの量子臨界点を、1反復で高精度にVQCSとLRIsで準備できるか？
• RQ4 VQCSとLRIsを用いることで、長距離TFIMの位相図における一般化された点をどの程度まで探索できるか？
• RQ5 VQCSとLRIsは、近位量子シミュレータにとってスケーラブルで実用的なアプローチであるか？

主な発見

• GHZ状態は、長距離相互作用下でVQCSを用いることでO(1)反復で準備可能であり、極めて高い効率性を示している。
• 100量子ビット系において、長距離横磁場イジング模型の量子臨界点が1反復で99％以上のfideliyで準備された。
• 長距離相互作用の存在が、変分状態準備の収束速度とfideliyを顕著に向上させている。
• VQCSとLRIsを用いることで、回路深さを最小限に抑えながらも、長距離TFIMの位相図における一般化された点の探索が可能になった。
• 本手法は、内在的長距離相互作用を有する近位量子デバイスにおいてスケーラブルかつロバストであることが示された。
• 深すぎる回路を必要としないため、ノイジィな中規模量子（NISQ）ハードウェアにも適した高精度な状態準備が実現された。