[논문 리뷰] Benchmarking highly entangled states on a 60-atom analog quantum simulator

Adam L. Shaw, Zhuo Chen외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 15.

Quantum Computing Algorithms and ArchitectureComputer Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 엔트로피 제한이 있는 다양한 근사 행렬 곱 상태(MPS) 시뮬레이션에서의 외삽을 통해 60-큐비트 아날로그 라이드버그 양자 시뮬레이터에서 충실도 기준 테스트와 혼합 상태 엔트로피 추정을 수행한다. 이는 정확한 고전적 시뮬레이션 영역을 초월한 영역에서 고도로 얽힌 상태를 생성하는 데 있어 최신 디지털 양자 장치와 경쟁 가능한 성능을 달성하며, 아날로그 양자 시뮬레이터에서 이러한 기준 테스트를 처음으로 수행한 것이다.

ABSTRACT

Quantum systems have entered a competitive regime where classical computers must make approximations to represent highly entangled quantum states. However, in this beyond-classically-exact regime, fidelity comparisons between quantum and classical systems have so far been limited to digital quantum devices, and it remains unsolved how to estimate the actual entanglement content of experiments. Here we perform fidelity benchmarking and mixed-state entanglement estimation with a 60-atom analog Rydberg quantum simulator, reaching a high entanglement entropy regime where exact classical simulation becomes impractical. Our benchmarking protocol involves extrapolation from comparisons against an approximate classical algorithm, introduced here, with varying entanglement limits. We then develop and demonstrate an estimator of the experimental mixed-state entanglement, finding our experiment is competitive with state-of-the-art digital quantum devices performing random circuit evolution. Finally, we compare the experimental fidelity against that achieved by various approximate classical algorithms, and find that only the algorithm we introduce is able to keep pace with the experiment on the classical hardware we employ. Our results enable a new paradigm for evaluating the ability of both analog and digital quantum devices to generate entanglement in the beyond-classically-exact regime, and highlight the evolving divide between quantum and classical systems.

연구 동기 및 목표

• 정확한 고전적 시뮬레이션이 불가능한 초고전적 정확도 영역에서 아날로그 양자 시뮬레이터에 대한 충실도 기준 테스트의 부족을 해결하기 위해.
• 실험적 양자 시스템에서 혼합 상태 엔트로피를 신뢰할 수 있는 추정기로 개발하여 다양한 플랫폼 간 비교를 가능하게 하기 위해.
• 근사 고전 알고리즘의 성능을 고성능 아날로그 양자 시뮬레이터가 고도로 얽힌 상태를 생성하는 데 대비하여 비교하기 위해.
• 아날로그 및 디지털 플랫폼을 모두 활용하여 엔트로피 생성에서의 양자 우월성 평가를 위한 확장 가능한 프레임워크를 구축하기 위해.
• 아날로그 양자 시뮬레이터가 이전에는 디지털 장치에서만 접근 가능했던 엔트로피 영역에 도달할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 연구는 60-큐비트 1차원 라이드버그 양자 시뮬레이터를 사용하여 모든 큐비트가 0 상태에서 시작하는 고온의 쿠레시를 통해 고도로 얽힌 상태를 준비한다.
• 변동 가능한 결합 차수(χ)를 가진 근사 고전적 시뮬레이션으로 사용되는 행렬 곱 상태(MPS) 알고리즘을 활용하여, 양자 측정 결과와 고전적 측정 결과 간의 상관관계를 기반으로 한 새로운 충실도 추정 프로토콜을 도입한다.
• 정확한 시뮬레이션의 극한에서 진정한 양자 충실도를 추정하기 위해 증가하는 χ를 가진 여러 개의 MPS 시뮬레이션에서 외삽을 수행한다.
• 실험 데이터에서 유도된 통합된 엔트로피 지표를 혼합 상태 엔트로피의 대체 지표로 도입하며, 고전 기준과의 검증을 통해 타당성을 입증한다.
• 몬테카를로 추론을 사용하여 충실도 추정을 더 큰 시스템 크기로 확장하며, 수치적 검증을 통해 N ~ 500 수준까지 확장 가능함을 보여준다.
• 실험의 고전적 비용을 분석하고, 자원 소모를 증가시킬 수 있는 삭제 전환 가능성에 대해 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정확한 고전적 시뮬레이션 영역을 초월한 아날로그 양자 시뮬레이터에서 충실도 기준 테스트를 신뢰성 있게 수행할 수 있는가?
• RQ2 실험적 혼합 상태의 엔트로피는 근사 고전적 시뮬레이션과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ3 아날로그 및 디지털 양자 장치의 성능을 비교하기 위해 통합된 엔트로피 지표를 개발할 수 있는가?
• RQ4 실험적 동역학을 시뮬레이션하는 데 필요한 고전적 계산 비용은 얼마이며, 이는 시스템 크기와 어떻게 관련되는가?
• RQ5 근사 고전 알고리즘이 고성능 아날로그 양자 시뮬레이터가 엔트로피를 생성하는 데 비해 어느 정도 뒤처지지 않는가?

주요 결과

• 60-큐비트 아날로그 라이드버그 양자 시뮬레이터는 무작위 회로 진화를 수행하는 최신 디지털 양자 장치와 비교해 경쟁 가능한 전반적인 충실도를 달성한다.
• MPS 외삽 기반의 충실도 추정 프로토콜은 고전적 비가역성의 시작을 성공적으로 식별하며, 엔트로피가 시뮬레이션의 결합 차수 한계를 초과할 때 충실도가 감소하는 현상과 일치한다.
• 고전 하드웨어에서 사용된 유일한 근사 고전 알고리즘으로는 χ를 조절할 수 있는 알고리즘이 실험의 성능을 따라잡을 수 있었으며, 이는 그가 기준으로서의 적합성을 보여준다.
• 이 연구에서 도입된 혼합 상태 엔트로피 지표는 아날로그 및 디지털 양자 장치 간 비교를 위한 통합된 품질 지표로 기능한다.
• 몬테카를로 추론 프로토콜은 합리적인 고전적 자원으로 N ~ 500 수준까지 확장 가능하며, 향후 더 큰 양자 시스템의 기준 테스트를 가능하게 한다.
• 주어진 충실도에 도달하기 위한 시뮬레이션 시간은 약 (1 - F)^(-10) 비례로 증가하며, 이는 충실도에 매우 민감함을 시사하며, 향후 양자 성능의 미세한 향상이 고전적 능력을 뛰어넘을 수 있음을 시사한다.