[논문 리뷰] Comment on: "Classical signature of quantum annealing"

Lei Wang, Troels F. Rønnow외 7명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 24.

Quantum Information and Cryptography인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 D-Wave 장치에서의 이중모달 성공 확률 분포가 양자 안내의 증거로 충분하다는 주장을 도전한다. 반고전적 O(3) 스핀 모델을 제안하고 Smolin-Smith의 O(2) 모델을 분석하여, 둘 다 D-Wave 장치와 시뮬레이션된 양자 안내기 간의 강한 성공 확률 상관관계를 재현하지 못함을 보여주며, 이는 양자 행동의 핵심적 특징이다. 결과적으로, D-Wave One 장치에서 양자 효과가 단순히 히스토그램의 이중모달성 이상으로 지속된다는 것을 뒷받침한다.

ABSTRACT

In a recent preprint (arXiv:1305.4904) entitled "Classical signature of quantum annealing" Smolin and Smith point out that a bimodal distribution presented in (arXiv:1304.4595) for the success probability in the D-Wave device does not in itself provide sufficient evidence for quantum annealing, by presenting a classical model that also exhibits bimodality. Here we analyze their model and in addition present a similar model derived from the semi-classical limit of quantum spin dynamics, which also exhibits a bimodal distribution. We find that in both cases the correlations between the success probabilities of these classical models and the D-Wave device are weak compared to the correlations between a simulated quantum annealer and the D-Wave device. Indeed, the evidence for quantum annealing presented in arXiv:1304.4595 is not limited to the bimodality, but relies in addition on the success probability correlations between the D-Wave device and the simulated quantum annealer. The Smolin-Smith model and our semi-classical spin model both fail this correlation test.

연구 동기 및 목표

• D-Wave 장치에서 관찰된 이중모달 성공 확률 분포가 양자 안내의 충분한 증거인지 평가하기.
• 특히 Smolin-Smith의 O(2) 모델과 새로운 반고전적 O(3) 모델을 포함한 고전적 모델이 실험적 D-Wave 데이터와 얼마나 타당한지 테스트하기.
• 고전적 모델이 D-Wave 장치와 시뮬레이션된 양자 안내기 간에 관찰된 강력한 인스턴스별 성공 확률 상관관계를 재현할 수 있는지 판단하기.
• 반고전적 모델이 이중모달 분포를 보이지만 D-Wave 결과와 상관관계가 없는 이유를 규명하기.
• 양자 얽힘, 즉 고전적 동역학이 아닌 양자 얽힘의 존재가 하드 인스턴스에서 D-Wave 장치의 성능을 설명하는 데 기여함을 입증하기.

제안 방법

• 단위 벡터의 고전적 운동 방정식을 사용하여 양자 스핀 동역학의 평균장 근사에서 유도된 반고전적 O(3) 스핀 모델을 개발하였다.
• 시간에 따라 변하는 횡방향 및 縦방향 필드를 갖는 평면 회전자(планar rotors)를 사용하여 Smolin-Smith의 O(2) 모델을 구현하였으며, 이는 안내 프로토콜을 모방한다.
• N=108에서 1000개의 무작위 이징 스핀 거품 인스턴스에 대해 고전적 모델과 D-Wave One 장치의 안내 과정을 시뮬레이션하고, 성공 확률을 측정하였다.
• D-Wave 장치와 두 고전적 모델 간의 성공 확률 상관관계를 비교하였으며, D-Wave 장치와 시뮬레이션된 양자 안내기(SQA) 간의 상관관계도 분석하였다.
• 열 노이즈와 초깃 상태의 비완전성을 모의하기 위해 스핀에 무작위 초기 편향을 도입하였다.
• D-Wave 데이터의 게이지 평균 성공 확률을 사용하여 상관관계 분석을 향상시키고, 이를 고전적 및 양자 모델과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중모달 성공 확률 분포를 갖는 고전적 모델이 D-Wave One 장치와 시뮬레이션된 양자 안내기 간의 인스턴스별 성능 상관관계를 재현할 수 있는가?
• RQ2 반고전적 스핀 모델이 이중모달 분포를 보이지만 D-Wave의 성공 확률과 상관관계가 없는 이유는 무엇인가?
• RQ3 고전적 모델이 D-Wave 장치의 상관관계를 재현하지 못하는 것이 장치 내에서 양자 효과가 존재한다는 것을 의미하는가?
• RQ4 D-Wave 장치와 양자 시뮬레이션에서 하드 인스턴스와 쉬운 인스턴스 간의 스펙트럼 갭과 해밍 거리의 차이는 어떻게 다른가?
• RQ5 특히 에너지 고유기저에서의 양자 얽힘은 D-Wave 장치가 일부 하드 인스턴스에서 고전적 모델보다 뛰어난 성능을 내는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 반고전적 O(3) 모델은 이중모달 성공 확률 분포를 생성하지만, D-Wave 장치와 시뮬레이션된 양자 안내기(SQA)에 비해 '하드' 피크에 더 큰 비중을 가진다.
• D-Wave 장치와 반고전적 O(3) 모델 간의 상관관계는 약하며, 특히 하드 및 중간 인스턴스에서 두드러지게 약하다. 이는 D-Wave 장치와 SQA 간에 관찰된 강력한 정적 상관관계와 대조된다.
• Smolin-Smith의 O(2) 모델 역시 D-Wave 장치의 성공 확률 상관관계를 재현하지 못하며, 피크 비중의 유사한 불균형과 약한 인스턴스별 일치도를 보인다.
• O(3) 및 O(2) 고전적 모델은 성공 확률에서 강한 상호 상관관계를 보이며, 이는 유사한 고전적 동역학을 공유하고 있음을 시사하지만, 둘 다 D-Wave 장치의 행동을 재현하지 못한다.
• D-Wave 장치는 두 고전적 모델이 어려운 것으로 간주하는 일부 인스턴스에서 성공을 거두며, 이는 양자 얽힘 덕분에 고전적 한계를 초월한 성능이 가능함을 시사한다.
• 이 연구는 D-Wave 장치와 SQA 간의 강력한 성공 확률 상관관계—스펙트럼 갭 및 해밍 거리 분석을 통해 뒷받침됨—이 이중모달성 자체보다 양자 안내의 더 강력한 증거임을 확인한다.