[논문 리뷰] Digital Quantum Simulation of Laser-Pulse Induced Tunneling Mechanism in Chemical Isomerization Reaction

Kuntal Halder, Narendra N. Hegade외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 1인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 IBM의 QISKit 플랫폼에서 3 큐비트 양자 회로를 사용하여 비대칭 말론디알데하이드 이성질화 반응에서 레이저 펄스 유도 터널링을 디지털 양자 시뮬레이션한다. 공간과 시간을 이산화하고 해밀토니안을 분해하며, 대각 연산자에 대해 워시 시리즈 근사를 적용함으로써, 잠금 장벽을 통과하는 터널링 메커니즘을 정확하게 재현하였으며, 반응 역학에 대한 이론적 예측과 강한 일치를 보였다.

ABSTRACT

Using quantum computers to simulate polyatomic reaction dynamics has an exponential advantage in the amount of resources needed over classical computers. Here we demonstrate an exact simulation of the dynamics of the laser-driven isomerization reaction of asymmetric malondialdehydes. We discretize space and time, decompose the Hamiltonian operator according to the number of qubits and use Walsh-series approximation to implement the quantum circuit for diagonal operators. We observe that the reaction evolves by means of a tunneling mechanism through a potential barrier and the final state is in close agreement with theoretical predictions. All quantum circuits are implemented through IBM's QISKit platform in an ideal quantum simulator.

연구 동기 및 목표

• 근접한 양자 하드웨어에서 복잡한 다원자 반응 역학을 디지털 양자 시뮬레이션하는 데에 기여한다.
• 최소한의 큐비트 아키텍처를 사용하여 비대칭 말론디알데하이드에서 레이저 구동 이성질화를 양자 터널링을 통해 연구한다.
• 클라우드 기반의 양자 플랫폼에서 정확한 양자 시뮬레이션을 통해 이성질화 반응에서의 터널링 메커니즘을 검증한다.
• 보조 큐비트 없이 워시 함수를 사용하여 대각 해밀토니안 연산자 시뮬레이션을 위한 확장 가능한 방법을 개발하고 구현한다.

제안 방법

• 3 큐비트를 사용하여 8점 그리드에서 시스템의 공간적 및 시간적 진화를 이산화하였다.
• 양자 회로 구현을 가능하게 하기 위해 시간 진동수 연산자를 2차 토트러-수즈 공식을 사용하여 분해하였다.
• 효율적인 게이트 분해를 위해 운동 에너지 항을 대각화하기 위해 양자 푸리에 변환(QFT)을 적용하였다.
• 보조 큐비트를 피하기 위해 대각 포텐셜 및 상호작용 연산자를 워시 시리즈 근사를 사용하여 구현하였다.
• 워시-푸리에 계수를 통해 순서가 지정된 RZ 게이트를 사용하여 대각 유니터리 연산자를 실현하는 양자 회로를 구성하였다.
• 시간에 따라 변화하는 전기장 프로파일을 사용하여 레이저 펄스 작동, 일정 필드, 점진적 끄기의 세 단계로 나누어 반응 역학을 시뮬레이션하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3 큐비트 양자 컴퓨터는 다원자 이성질화 반응에서 레이저 유도 터널링을 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 시간에 따라 변화하는 레이저 필드 하에서 파동함수의 시간 진화에서 터널링 메커니즘이 어떻게 나타나는가?
• RQ3 워시 시리즈 근사는 얼마나 효율적이고 오차가 적은 방식으로 양자 회로에서 대각 연산자를 구현할 수 있는가?
• RQ4 시뮬레이션된 역학이 이성질화 수율과 상태 분포에 대한 이론적 예측과 일치하는가?
• RQ5 근접한 장치에서의 디지털 양자 시뮬레이션은 화학 시스템에서 비어디아바틱 양자 역학을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 시뮬레이션은 비대칭 말론디알데하이드에서 한 개의 산소에서 다른 산소로 수소 이동의 터널링 메커니즘을 이론적 기대와 일치하는 방식으로 성공적으로 재현하였다.
• 최종 상태 분포의 인구 분포는 이론적 예측과 일치하여 양자 시뮬레이션 접근법의 타당성을 확인하였다.
• 워시 시리즈 근사를 사용함으로써 보조 큐비트 없이도 최소한의 게이트 수로 대각 연산자를 효율적으로 구현할 수 있었다.
• 시간 진화는 잠금 장벽을 통과하는 터널링을 통해 반응물에서 생성물 상태로의 명확한 전이를 보였으며, 이는 단지 3 큐비트로도 가능했다.
• 이deal 시뮬레이터를 사용하여 IBM의 QISKit 플랫폼에서 양자 회로를 구현함으로써 현재의 노이지 중간 규모(NISQ) 하드웨어에서의 실현 가능성을 입증하였다.
• 순서가 지정된 RZ 게이트 분해 방식은 불필요한 CNOT 게이트를 줄이고 게이트 오차를 최소화하여 회로의 정밀도를 향상시켰다.