[논문 리뷰] Architectures for quantum simulation showing quantum supremacy

Juan Bermejo-Vega, Dominik Hangleiter외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 01.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 단순한 이동 불변 해밀토니안 하에서의 단일 기저 측정을 통해 최소한의 제어로 양자 우월성을 달성하는 이중 차원 동적 양자 시뮬레이터를 제안한다. 제품 상태를 준비하고, 이를 단순한 이동 불변 해밀토니안에 따라 짧은 시간 동안 진화시킨 후 고정된 기저에서 측정함으로써, 이 방법은 효율적인 인증과 근접한 실험 가능성(냉각 원자 및 올레틱 격자와 같은 플랫폼에서)을 가능하게 한다.

ABSTRACT

One of the main aims in the field of simulation is to achieve a speedup, often referred to as quantum computational supremacy, referring to the experimental realization of a device that computationally outperforms classical computers. In this work, we show that one can devise versatile and feasible schemes of two-dimensional dynamical simulators showing such a speedup, building on intermediate problems involving non-adaptive measurement-based computation. In each of the schemes, an initial product state is prepared, potentially involving an element of randomness as in disordered models, followed by a short-time evolution under a basic translationally invariant Hamiltonian with simple nearest-neighbor interactions and a mere sampling measurement in a fixed basis. The correctness of the final state preparation in each scheme is fully efficiently certifiable. We discuss experimental necessities and possible physical architectures, inspired by platforms of cold atoms in optical lattices and a number of others, as well as specific assumptions that enter the complexity-theoretic arguments. This work shows that benchmark settings exhibiting a speedup may require little control in contrast to universal computing. Thus, our proposal puts a convincing experimental demonstration of a speedup within reach in the near term.

연구 동기 및 목표

• 최소한의 실험적 제어로 가능성이 있는 양자 시뮬레이션 아키텍처를 설계하는 것.
• 완전한 보편성 없이도 가속을 가능하게 하는 측정 기반 양자 계산 기반의 중간 문제를 식별하는 것.
• 최종 상태 준비의 정확성이 고전적 방법을 통해 효율적으로 인증될 수 있도록 보장하는 것.
• 냉각 원자 및 올레틱 격자와 같은 물리적 아키텍처에서 이론적으로 구현 가능한 근접한 실험적 실현 가능성을 식별하는 것.
• 현실적인 실험 제약 조건 하에서 양자 우월성 주장에 기초가 되는 복잡도 이론적 가정을 수립하는 것.

제안 방법

• 이론적 시나리오의 시작은 실제 물리계를 모델링하기 위해 불규칙성을 포함할 수 있는 초기 제품 상태의 준비이다.
• 단순한 이웃 간 상호작용만을 포함한 이동 불변 해밀토니안을 사용해 짧은 시간 동안의 진화를 적용함으로써 제어 복잡도를 최소화한다.
• 적응 조정 없이 고정된 기저에서 단일 측정을 수행함으로써 실험적 오버헤드를 감소시킨다.
• 최종 상태의 정확성은 전체 양자 상태 톰ограф리 없이도 효율적인 고전적 인증을 통해 검증되며, 출력 결과가 검증 가능함을 보장한다.
• 이 아키텍처는 초냉각 원자 및 올레틱 격자와 같은 기존의 양자 플랫폼과 호환되도록 설계되어 있다.
• 이론적 복잡도 논증은 고전적 시뮬레이션의 어려움에 기반한 가정들에 뿌리를 두고 있으며, 양자 우월성 주장에 뒷받침한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소한의 제어와 단순한 연산만으로도 양자 시뮬레이션 아키텍처가 양자 우월성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 보편적이지 않고 적응형이 아닌 측정 기반 양자 계산 프레임워크에서 양자 가속을 입증할 수 있는가?
• RQ3 이러한 프로토콜에서 최종 상태 준비의 정확성이 고전적 방법을 통해 효율적으로 검증될 수 있는가?
• RQ4 현재 또는 근접한 기술 수준에서 제안된 프로토콜을 실현할 수 있는 물리적 플랫폼은 무엇인가?
• RQ5 이 설정에서 양자 우월성 주장에 기초가 되는 복잡도 이론적 가정은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 프로토콜들은 단순한 이동 불변 해밀토니안 하에서의 짧은 시간 진화만으로도 양자 계산 우월성을 달성한다.
• 최종 상태 준비 과정은 완전히 효율적으로 인증 가능하여, 전체 상태 재구성 없이도 고전적 방법으로 양자 우월성을 검증할 수 있다.
• 이 프로토콜들은 적응 측정이나 복잡한 게이트 시퀀스 없이도 최소한의 제어만으로도 실험적으로 접근 가능하다.
• 이 아키텍처는 초냉각 원자 및 올레틱 격자와 같은 기존의 양자 시뮬레이션 플랫폼과 호환된다.
• 이 프로토콜은 보편적인 양자 컴퓨터가 아니더라도 중간 문제에서 양자 가속을 달성할 수 있음을 보여준다.
• 양자 우월성 주장에 뒷받침되는 복잡도 이론적 논증은 고전적 시뮬레이션의 비가역성에 대한 납득할 만한 가정에 기반한다.