[논문 리뷰] Coherent quantum annealing in a programmable 2000-qubit Ising chain

Andrew King, Sei Suzuki외 22명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 11.

Quantum many-body systems인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 2000 큐비트의 프로그래머블 초전도 이징 체인에서 양자 어닐링의 일관성 있는 구현을 보여주며, 닫힌 시스템 양자 역학과 정량적 일치를 이룬다. 실험은 양자临계점에서 키블-즈레크 스케일링과 양성 kink-kink 상관관계를 관측하여, 환경과의 결합에도 불구하고 일관성 있는 진화를 확인한다.

ABSTRACT

Quantum simulation has emerged as a valuable arena for demonstrating and understanding the capabilities of near-term quantum computers. Quantum annealing has been used successfully in simulating a range of open quantum systems, both at equilibrium and out of equilibrium. However, in all previous experiments, annealing has been too slow to simulate a closed quantum system coherently, due to the onset of thermal effects from the environment. Here we demonstrate coherent evolution through a quantum phase transition in the paradigmatic setting of the 1D transverse-field Ising chain, using up to 2000 superconducting flux qubits in a programmable quantum annealer. In large systems we observe the quantum Kibble-Zurek mechanism with theoretically predicted kink statistics, as well as characteristic positive kink-kink correlations, independent of system temperature. In small chains, excitation statistics validate the picture of a Landau-Zener transition at a minimum gap. In both cases, results are in quantitative agreement with analytical solutions to the closed-system quantum model. For slower anneals we observe anti-Kibble-Zurek scaling in a crossover to the open quantum regime. These experiments demonstrate that large-scale quantum annealers can be operated coherently, paving the way to exploiting coherent dynamics in quantum optimization, machine learning, and simulation tasks.

연구 동기 및 목표

• 환경에 의한 분해상태에도 불구하고 대규모 초전도 양자 프로세서에서 일관성 있는 양자 어닐링을 구현하는 것.
• 프로그래머블 양자 어닐러를 사용하여 1차원 횡방향 자기장 이징 체인에서 양자 키블-즈레크 메커니즘을 검증하는 것.
• 다양한 어닐 시간와 온도에서 kink 통계와 상관관계를 측정하여 일관성 있는 동역학과 개방계 효과를 구분하는 것.
• 유한 시간 어닐 중에 질서와 분해상태가 양자 상관관계를 어떻게 억제하는지 평가하는 것.
• 해석적으로 풀 수 있는 모델을 사용하여 근접한 양자 어닐러에서의 일관성 있는 동역학에 대한 기준을 설정하는 것.

제안 방법

• 최대 2000 큐비트까지 프로그래머블 초전도 양자 어닐러에서 1차원 횡방향 자기장 이징 해밀토니안을 구현하는 것.
• 시간에 따라 변화하는 어닐링 스케줄을 차원이 없는 매개변수 $ s = t/t_a $ 로 제어하여, 횡방향 자기장 $ ̺(s) $ 와 이징 결합 $ \mathcal{J}(s) $ 사이를 조정하는 것.
• 주기적 경계 조건과 균일한 결합 $ J $ 를 사용하며, 이는 페로자성(음수) 또는 반자성(양수) 값으로 프로그래밍 가능한 것.
• 양자 임계점 근처에서 위상 결함과 상관 길이를 탐색하기 위해 kink 밀도와 kink-kink 상관 함수를 측정하는 것.
• 실험 결과를 닫힌 시스템 모델의 해석적 해와, 질서를 포함한 텐서 네트워크 시뮬레이션(TEBD)과 비교하는 것.
• 부트스트랩 리샘플링을 사용하여 $ 95\% $ 신뢰구간을 산정하고, 고리 차원 분석을 통해 실험 상태의 얽힘을 추정하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 환경과의 결합에도 불구하고 대규모 초전도 양자 프로세서에서 일관성 있는 양자 어닐링을 달성할 수 있는가?
• RQ2 관측된 kink 통계와 상관관계는 닫힌 시스템 모델의 양자 키블-즈레크 메커니즘 예측과 일치하는가?
• RQ3 온도, 질서, 어닐 시간이 유한 시간 어닐 중에 양자 상관관계를 억제하거나 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 실험 데이터는 어느 정도 일관성 있는 동역학을 반영하고 있으며, 개방계 분해상태 효과와 얼마나 다를까?
• RQ5 통제된 질서를 포함한 텐서 네트워크 시뮬레이션은 실험적 kink-kink 상관 함수를 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 어닐 시간에 따라 kink 밀도의 키블-즈레크 스케일링이 관측되었으며, 이는 닫힌 양자 시스템의 이론적 예측과 일치한다.
• 양자 임계점에서 양성 kink-kink 상관관계가 측정되어, 온도(10–30 mK)와 무관하게 일관성 있는 동역학을 확인한다.
• 느린 어닐에서는 반-키블-즈레크 스케일링이 나타나며, 이는 분해상태와 질서로 인한 개방 양자 영역으로의 전이를 나타낸다.
• 긴 어닐 시간 동안 kink-kink 상관 피크가 억제되며, 온도의 영향은 미미하여 질서와 확산이 주요 메커니즘이라고 추론된다.
• TEBD 시뮬레이션에서의 고리 차원 분석을 통해 실험 상태는 $ D \geq 20 $ 와 일치하는 얽힘을 가지며, 상당한 다체 얽힘을 나타낸다.
• 이론적 및 실험적 kink 분포, 누적량, 상관 함수는 정량적 일치를 보이며, 어닐링 과정의 일관성을 검증한다.