[논문 리뷰] Experimental Demonstration of Quantum Tunneling in IBM Quantum Computer

Narendra N. Hegade, Bikash K. Behera외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 20.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 100인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 IBM의 5-qubit 및 14-qubit 양자 프로세서를 사용한 디지털 양자 시뮬레이션을 통해 단일 입자가 단계 터널링, 더블웰, 다중웰 퍼텐셜에서의 양자 터널링을 실험적으로 구현한다. 해밀토니안을 일阶 슈비츠-트로터 공식을 사용해 분해하고, 시간 진화를 CNOT, 헤르미트, 제어-위상 게이트를 통해 구현함으로써, 터널링 동역학과 진동을 관측하였으며, 이중 큐비트 시스템에서 여섯 번째 시간 단계 이후 평균 허상도 약 52%를 달성하여, 근접한 노이지 중간 규모 양자(NISQ) 장치에서 양자 터널링을 시뮬레이션하는 것이 가능하다는 것을 확인한다.

ABSTRACT

Quantum computers are the promising candidates for simulation of large quantum systems, which is a daunting task to perform in a classical computer. Here, we report the experimental realization of quantum tunneling of a single particle through different types of potential barriers by performing digital quantum simulations using IBM quantum computers. We consider two and three-qubit systems to visualize the tunneling process and illustrate its unique quantum nature. We observe the tunneling and oscillations of the particles in a step-well, double-well, and multi-well potentials through our experimental results. One may extend the proposed quantum circuits and simulation techniques used here for observing the tunneling phenomena for multi-particle systems in different potentials.

연구 동기 및 목표

• 근접한 양자 프로세서를 사용하여 단일 입자 시스템에서의 양자 터널링을 실험적으로 구현하는 것.
• 다양한 퍼텐셜 구조(단계 터널링, 더블웰, 다중웰)에서의 터널링을 시뮬레이션하기 위한 확장 가능한 양자 회로 프레임워크를 개발하는 것.
• 노이지 중간 규모 양자(NISQ) 장치에서 기본 양자 현상의 디지털 양자 시뮬레이션 가능성을 검증하는 것.
• 실험적 구현에서 디코herence와 게이트 오류로 인한 허상도 열화를 분석하는 것.
• 다중 입자 시스템과 복잡한 퍼텐셜 기하학으로의 시뮬레이션 확장을 위한 기반을 마련하는 것.

제안 방법

• 시간 진화는 해밀토니안의 지수를 분해하기 위해 일계 슈비츠-트로터 공식을 사용하여 운동에너지 및 위치에너지 진화 연산자들의 순차적 적용으로 시뮬레이션된다.
• 단일 큐비트 게이트(Hadamard)와 이중 큐비트 얽힘 게이트(CNOT 및 제어-위상)를 사용한 회로 분해를 통해 시간 진화 연산자를 구현한다.
• 초기 상태는 잠재적 웰 내에서 국소화된 파동함수로 준비되며, 시스템은 이산 시간 단계 동안 터널링 해밀토니안에 따라 진화한다.
• 양자 상태 단층 촬영 및 이상적 밀도 행렬과 실험적 밀도 행렬 간의 허상도 분석을 통해 동역학을 측정한다.
• Qiskit 프레임워크를 사용하여 ibmqx4, ibmqx2 및 IBM Q 14 Melbourne 프로세서에서 회로를 컴iles하고 실행한다.
• 허상도는 시간 단계에 따라 계산되어 다양한 장치에서 시뮬레이션의 정확도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 노이지 중간 규모 양자(NISQ) 장치에서 디지털 양자 시뮬레이션을 통해 단일 입자의 양자 터널링을 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ2 실제 양자 하드웨어에서 게이트 오류와 디코herence로 인해 시뮬레이션된 터널링 동역학의 허상도는 시간이 지남에 따라 어떻게 열화되는가?
• RQ3 이중 및 삼중 큐비트 양자 회로는 단계 터널링, 더블웰, 다중웰 퍼텐셜 구조에서의 터널링을 어느 정도 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ4 제안된 회로 설계는 다중 입자 터널링 및 더 복잡한 퍼텐셜 기하학을 시뮬레이션하는 데 확장 가능한가?
• RQ5 게이트 분해와 트로터화가 현재의 양자 프로세서에서 효율적인 양자 터널링 시뮬레이션을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• IBM의 ibmqx4, ibmqx2 및 IBM Q 14 Melbourne 프로세서에서 2- 및 3-큐비트 회로를 사용하여 단계 터널링, 더블웰, 다중웰 퍼텐셜에서 단일 입자의 양자 터널링과 진동이 성공적으로 관측되었다.
• 이중 큐비트 시뮬레이션의 평균 허상도는 t=0 시점 약 94%에서 여섯 번째 시간 단계 후 52%로 감소하여 측정 가능한 고유 진동이지만 열화된 일관성을 나타냈다.
• 삼중 큐비트 다중웰 퍼텐셜에서 다중 장벽 통과 터널링이 관측되었으며, 10개의 시간 단계 후 입자는 |010⟩ 상태에서 가장 높은 확률로 발견되었다.
• 시뮬레이션 결과는 이상적인 양자 회로와 양호한 정성적 일치를 보였으며, 디지털 양자 시뮬레이션 접근법의 정확성을 확인했다.
• 시간 단계당 큐비트당 하나의 단일 큐비트 게이트를 사용함으로써 회로 깊이를 크게 줄여, 하드웨어 노이즈에도 불구하고 더 긴 시뮬레이션 시간을 가능하게 하였다.
• 본 연구는 현재의 NISQ 장치에서 기본 양자 현상인 터널링을 탐구할 수 있음을 보여주며, 더 복잡한 양자 시뮬레이션으로의 길을 열었다.