[논문 리뷰] Gap-independent cooling and hybrid quantum-classical annealing

Lukas Theis, Peter Schuhmacher외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 29.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트의 에너지 갭에 의존하지 않는 냉각 기법을 제안한다. 이는 공면파이프(CPW)를 통해 횡방향으로 결합하여 비열적 릴랙세이션을 증가시키고 비단조성 오차를 억제함으로써 양자 분석 성능을 향상시킨다. 이 방법은 단조성 영역에서 최대 50% 향상되고, 비단조성 영역에서는 수백 퍼센트 향상되며, 에너지 갭에 대한 사전 지식 없이도 강건한 성능을 달성한다.

ABSTRACT

In this letter we present an efficient gap-independent cooling scheme for a quantum annealer that benefits from finite temperatures. We choose a system based on superconducting flux qubits as a prominent example of current quantum annealing platforms. We propose coupling the qubit system transversely to a coplanar waveguide to counter noise and heating that arise from always-present longitudinal thermal noise. We provide a schematic circuit layout for the system and show how, for feasible coupling strengths, we achieve global performance enhancements. Specifically, we achieve cooling improvements of about $50\%$ in the adiabatic and a few hundred percent in the non-adiabatic regime, respectively.

연구 동기 및 목표

• 에너지 갭 Δ의 지식에 의존하지 않는 양자 분석기용 냉각 메커니즘을 개발하기 위해.
• 양자 분석에서 유한한 스위프 속도로 인한 비단조성 오차를 완화하기 위해.
• 유한온도 릴랙세이션을 이용해 피하기로된 수준 교차 후 기저 상태 인구를 향상시키기 위해.
• 횡방향 CPW 결합이 Δ에 관계없이 효과적인 냉각을 가능하게 함을 보여주기 위해.
• 열 릴랙세이션을 활용한 하이브리드 양자-고전적 분석(HQCA) 프레임워크를 구축하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 초전도 플럭스 큐비트를 공면파이프(CPW)를 통해 횡방향 옴브 밸러스트(ohmic bath)에 결합하여 횡방향 결합 강도 αx를 제어할 수 있다.
• 역학은 시간에 따라 변하는 드라이브 ε(t) = vt를 갖는 소산적 랑드-지너 스핀-보존 해밀토니안으로 모델링되며, v는 스위프 속도이다.
• 개방 양자 시스템을 기술하기 위해 마스터 방정식 방법을 사용하며, 종방향(σz) 및 횡방향(σx) 결합을 열역학적 열역학적 열원과 함께 포함한다.
• 횡방향 결합으로 인해 릴랙세이션 속도 γr이 향상되어 피하기로된 교차 후 기저 상태로의 복귀를 촉진한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 양자 마스터 방정식을 해결하여 αx와 αz의 함수로 최종 기저 상태 인구 pG를 계산한다.
• 결과는 랑드-지너 공식과 비교되고, 고소산 영역에서의 반고전역역학으로의 전이를 분석함으로써 검증된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 갭 Δ에 의존하지 않는 냉각 기법을 설계할 수 있는가?
• RQ2 열 노이즈가 존재하는 조건에서 CPW에 대한 횡방향 결합은 릴랙세이션과 기저 상태 인구에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 기법은 단조성 및 비단조성 영역 모두에서 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ4 시스템은 최종 상태의 정밀도를 향상시키는 열적 보조 릴랙세이션을 나타내는가?
• RQ5 이 방법은 에너지 갭 지식이 필요 없이 현재의 양자 분석 플랫폼에 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• kBT = 5Δ 및 v = 0.5Δ² 조건에서 단조성 영역에서 기저 상태 인구가 약 50% 향상된다.
• 비단조성 영역에서는 횡방향 결합으로 인한 릴랙세이션 향상으로 인해 수백 퍼센트의 향상이 이루어진다.
• αx ≳ 5×10⁻³일 경우, 종방향 결합 αz에 관계없이 거의 모든 인구가 기저 상태로 복귀한다.
• pG(αz)의 최소값은 온도에 따라 이동하며, 고소산 영역에서 반고전역역학으로의 전이로 인해 비단조성 행동이 설명된다.
• 냉각 효과는 수치 분석(부록 B)을 통해 양자 젠조 효과 유사 차단이 아니라 릴랙세이션 향상 때문임을 확인하였다.
• 이 방법은 에너지 갭 변동에 대해 본질적으로 강건하므로 실제 양자 분석 장치에 적합하다.