[논문 리뷰] Classical signature of quantum annealing

John A. Smolin, Graeme Smith|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 21.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 D-Wave One 프로세서에서 양자 어닐링의 특징으로 주장된 핵심 행동을 재현하는 고전적 모델—'고전적 나침반 역학'—을 제시한다. 그래프 상에서 결정론적이고 노이즈 영향을 받는 스핀 진동을 시뮬레이션함으로써, 실험에서 관찰된 이중성 분포와 기본 상태 억제 현상을 재현하며, 이러한 현상이 유일하게 양자 효과를 시사하지는 않음을 보여준다.

ABSTRACT

A pair of recent articles concluded that the D-Wave One machine actually operates in the quantum regime, rather than performing some classical evolution. Here we give a classical model that leads to the same behaviors used in those works to infer quantum effects. Thus, the evidence presented does not demonstrate the presence of quantum effects.

연구 동기 및 목표

• D-Wave One 기계에서 관찰된 특정 실험적 행동이 양자 어닐링의 결정적 증거로 간주되는 해석을 도전하기 위해.
• 노이즈가 첨가된 고전적 결정론적 역학이 주장된 양자 효과와 동일한 통계적 서명을 재현할 수 있음을 보여주기 위해.
• 최적화 작업에서 관찰된 이중성 성공 분포가 본질적으로 양자적이 아니며, 노이즈가 첨가된 고전적 애디아바틱 진동에서 유래할 수 있음을 주장하기 위해.
• 양자 어닐링이 아니라 '기본 상태 애디아바틱 끌기'가 더 잘 설명하는 과정임을 제안하며, 이에 해당하는 고전적 유사체를 강조하기 위해.
• 더 강력하고 엄밀한 기준 없이 실험 결과를 양자 초월성의 증거로 과도하게 해석하지 말 것을 경고하기 위해.

제안 방법

• 시간에 따라 변화하는 하미르토니안에 따라 결정론적으로 진동하는 스핀을 갖는 고전적 나침반 모델을 개발하여, 애디아바틱 진동을 모방한다.
• 시간 간격으로 무작위 노이즈(각속도에 대한 힘)를 적용하여 환경 효과를 시뮬레이션하며, 열 노이즈나 상세 평형 조건을 도입하지 않는다.
• 참고문헌 [1]과 [2]에서 사용된 것과 동일한 결합 및 외부장 조건을 사용하여 8스핀 시스템과 108스핀 D-Wave 인스턴스를 시뮬레이션하였으며, 끌기 시간 T를 사용한다.
• 횡방향 및 종방향 필드를 갖는 고전적 하미르토니안을 사용하여, 피하기 교착 상태를 통해 수준 교차를 피하는 경로를 따라 스핀 상태를 이동시킨다.
• 노이즈 유무에 따라 시뮬레이션을 실행하여 이중성 성공 분포의 강건성을 테스트하고, 원래 D-Wave 결과 및 시뮬레이션 어닐링 결과와 비교한다.
• 각 인스턴스당 한 번의 결정론적 실행과 30회 반복된 노이즈가 첨가된 실행을 수행하여 성공 확률 분포를 평가하고, 이중성 패턴을 재현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 노이즈가 첨가된 고전적 결정론적 역학이 D-Wave의 108스핀 실험에서 관찰된 이중성 성공 분포를 재현할 수 있는가?
• RQ2 8스핀 시스템에서의 고립된 기본 상태 억제 및 클러스터 상태 확률 증가 현상은 양자 행동을 나타내는가, 아니면 고전적으로 설명될 수 있는가?
• RQ3 D-Wave 기계에서 관찰된 행동은 진정으로 양자 어닐링을 나타내는가, 아니면 고전적 애디아바틱 진동에 노이즈가 첨가된 결과일 수 있는가?
• RQ4 고전적 애디아바틱 진동의 유사체가 양자 초월성을 보여주는 데 있어 핵심 실험적 서명을 재현할 수 있는가?
• RQ5 고전적 애디아바틱 끌기에서 노이즈의 역할은 무엇이며, 시뮬레이션 어닐링과 유사하게 성능 향상을 이끌 수 있는가?

주요 결과

• 고전적 나침반 모델은 108스핀 인스턴스에서 D-Wave One 기계에서 관찰된 이중성 성공 분포를 성공적으로 재현하였으며, 249건은 항상 해결되고 251건은 전혀 해결되지 않았다.
• 노이즈가 첨가된 경우에도 모델은 이중성 분포를 유지하며, 500건 중 401건에서는 30회 시도 내에 최소 한 번은 기본 상태를 발견하였다. 이는 노이즈가 성능을 향상시킨다는 것을 보여준다.
• 8스핀 시스템에서의 기본 상태 억제(p_s < p_C) 현상이 고전적 모델에서도 재현되었으며, 이는 이러한 행동이 고유하게 양자적이라는 주장에 도전한다.
• 결정론적 애디아바틱 진동에 노이즈가 첨가된 모델이 양자 어닐링으로 기인한다고 주장된 결과와 구분되지 않는 결과를 생성할 수 있음을 보여주며, 이러한 서명의 기원이 양자적이지 않음을 도전한다.
• 고전적 모델의 성공은 관찰된 행동들이 D-Wave 시스템에서의 양자성 또는 양자 초월성의 충분한 증거가 되지 못함을 시사한다.
• 저자들은 양자 초월성을 주장하기 전에 더 강력한 증거가 필요하다고 결론 내리며, 고전적 시스템이 보고된 현상을 재현할 수 있음을 강조한다.