[논문 리뷰] Digital quantum simulation of NMR experiments

Kushal Seetharam, Debopriyo Biswas외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 27.

Advanced NMR Techniques and Applications참고 문헌 36인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 트랩된 이온 양자 컴퓨터를 사용하여 핵자기공명(NMR) 스펙트럼의 첫 번째 디지털 양자 시뮬레이션을 수행한다. 4 큐비트를 사용해 아세트로니트릴의 메틸기의 0장 NMR 스펙트럼을 시뮬레이션하였다. 압축 센싱과 최적화된 양자 회로 합성 기법을 적용하여 샘플링 비용을 한 수준 감소시키고 높은 스펙트럼 해상도를 달성함으로써, 근세 양자 하드웨어에서 고전적으로 해결하기 어려운 NMR 시스템을 효율적으로 시뮬레이션할 수 있게 되었다.

ABSTRACT

Simulations of nuclear magnetic resonance (NMR) experiments can be an important tool for extracting information about molecular structure and optimizing experimental protocols but are often intractable on classical computers for large molecules such as proteins and for protocols such as zero-field NMR. We demonstrate the first quantum simulation of an NMR spectrum, computing the zero-field spectrum of the methyl group of acetonitrile using four qubits of a trapped-ion quantum computer. We reduce the sampling cost of the quantum simulation by an order of magnitude using compressed sensing techniques. We show how the intrinsic decoherence of NMR systems may enable the zero-field simulation of classically hard molecules on relatively near-term quantum hardware and discuss how the experimentally demonstrated quantum algorithm can be used to efficiently simulate scientifically and technologically relevant solid-state NMR experiments on more mature devices. Our work opens a practical application for quantum computation.

연구 동기 및 목표

• 양자 상관관계와 분말 평균화로 인해 고전 컴퓨터에서 해결하기 어려운 복잡한 NMR 실험의 양자 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.
• 근세 양자 하드웨어를 활용해 분자 구조 분석을 위한 NMR 스펙트럼을 시뮬레이션하는 실용적 응용을 보여주기 위해.
• 압축 센싱과 효율적인 양자 회로 컴파일링을 통해 고전적으로 어려운 NMR 시스템의 자원 비용을 줄이기 위해.
• NMR 시스템의 내재된 디코herence를 활용하여 상대적으로 작은 양자 장치에서 어려운 동역학을 시뮬레이션할 수 있음을 보여주기 위해.
• 더 성숙한 양자 하드웨어에서 고체상 및 액체상 NMR 실험을 스케일러블한 프레임워크로 시뮬레이션할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 171Yb+ 이온을 사용한 트랩된 이온 양자 컴퓨터를 활용해 NMR 동역학을 모방하는 유니터리 진동 시퀀스를 시행하는 디지털 양자 시뮬레이션.
• 아세트로니트릴의 메틸기에서 0장 조건 하에서의 해밀토니안을 모의하는 양자 회로의 구현.
• 압축 센싱 기법을 적용하여 필요한 양자 회로 실행 횟수를 한 수준 감소시킴.
• 최신 기술의 양자 회로 합성 알고리즘을 사용해 게이트 시퀀스를 최적화하고 하드웨어 제약 조건 내에서 스펙트럼 해상도를 향상시킴.
• 다양한 시스템 방향에 대한 분말 평균화를 양자 장치에서 여러 해밀토니안 인스턴스의 앙상블 시뮬레이션을 통해 구현함.
• NMR 시스템의 내재된 디코herence를 활용하여 전체 위상 보존 없이도 복잡한 동역학을 시뮬레이션할 수 있도록 함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디지털 양자 시뮬레이션은 고전 컴퓨터에서 해결하기 어려운 복잡한 스핀 동역학을 보이는 분자에 대해 정확한 NMR 스펙트럼 계산을 달성할 수 있는가?
• RQ2 압축 센싱은 NMR 스펙트럼의 양자 시뮬레이션에서 샘플링 비용을 어느 정도 줄일 수 있는가?
• RQ3 근세 양자 하드웨어는 높은 스펙트럼 해상도로 소규모 생물분자에 대한 0장 NMR 실험을 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ4 NMR 시스템의 내재된 디코herence는 고전적으로 어려운 동역학을 양자 장치에서 시뮬레이션하는 데 영향을 미치는가?
• RQ5 자원 비용이 단일 방향 시뮬레이션과 유사한 수준에서 분말 평균화된 NMR 스펙트럼의 양자 시뮬레이션을 수행할 수 있는가?

주요 결과

• 아세트로니트릴의 메틸기 0장 NMR 스펙트럼의 양자 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 정량적 일치를 보였으며, 고유진동수는 장치의 해상도 한계 내에서 일치함.
• 시뮬레이션된 스펙트럼의 피크 강도는 실험 NMR 스펙트럼에서 관측된 순서와 일치하여, 양자 시뮬레이션의 정밀도를 확인함.
• 압축 센싱 덕분에 샘플링 비용이 한 수준 감소하여, 양자 NMR 시뮬레이션의 자원 효율성이 크게 향상됨.
• 개별 큐비트 제어와 최적화된 양자 회로 합성 덕분에 하드웨어 제약 조건에도 불구하고 높은 스펙트럼 해상도를 달성함.
• 이 방법은 자원 비용이 단일 방향 시뮬레이션과 유사한 수준에서 분말 평균화된 고체상 NMR 스펙트럼을 양자 하드웨어에서 효율적으로 시뮬레이션할 수 있음.
• 결과적으로 강한 두극자 상호작용과 공명 동역학을 갖는 시스템에 대해 복잡한 NMR 실험을 시뮬레이션하는 데에서 양자 우월성의 실용적 길을 확립함.