[논문 리뷰] Quantum assisted simulation of time dependent Hamiltonians

Jonathan Wei Zhong Lau, Kishor Bharti외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 19.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 양자 보조 시뮬레이터(QAS) 알고리즘을 시간에 따라 변하는 하미르토니안을 시뮬레이션할 수 있도록 확장하여, 현재의 NISQ 장치에서 복잡한 다큐비트 상호작용과 도전적인 드라이빙 프로토콜을 효율적으로 구현할 수 있도록 한다. IBM Quantum Experience에서 시험한 결과, QAS는 트로터화와 변분 양자 시뮬레이션보다 뛰어난 성능을 보이며, 양자 동역학 시뮬레이션에서 단기적 양자 우월성을 실현할 잠재력을 보여준다.

ABSTRACT

Quantum computers are expected to help us to achieve accurate simulation of the dynamics of many-body quantum systems. However, the limitations of current NISQ devices prevents us from realising this goal today. Recently an algorithm for performing quantum simulations called quantum assisted simulator has been proposed that promises realization on current experimental devices. In this work, we extend the quantum assisted simulator to simulate the dynamics of a class of time-dependent Hamiltonians. We show that the quantum assisted simulator is easier to implement as well as can realize multi-qubit interactions and challenging driving protocols that are difficult with other existing methods. We demonstrate this for a time-dependent Hamiltonian on the IBM Quantum Experience cloud quantum computer by showing superior performance of the quantum assisted simulator compared to Trotterization and variational quantum simulation. Our results indicate that quantum assisted simulator is a promising algorithm for current term quantum hardware.

연구 동기 및 목표

• 현재의 노이지 중간 규모 양자(NISQ) 장치에서 시간에 따라 변하는 하미르토니안을 시뮬레이션하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 기존의 표준 양자 시뮬레이션 방법이 지원하지 않는 시간에 따라 변하는 동역학을 처리할 수 있도록 양자 보조 시뮬레이터(QAS) 프레임워크를 확장하기 위해.
• 기존 접근 방식으로는 어려운 복잡한 다큐비트 상호작용과 비트리비얼 드라이빙 프로토콜의 구현을 가능하게 하기 위해.
• IBM Quantum Experience 플랫폼을 사용하여 실제 양자 하드웨어에서 QAS의 실현 가능성과 장점을 입증하기 위해.

제안 방법

• 시간에 따라 변화하는 시간 evolution 연산자를 통합하여 QAS를 시간에 따라 변하는 하미르토니안에 적응시킨다.
• 양자 회로를 사용해 변분 상태를 준비하고 기대값을 측정하는 하이브리드 양자-고전적 아키텍처를 활용한다.
• 시간에 따라 변화하는 게이트 시퀀스 또는 매개변수화된 안사드를 통해 시간에 따라 변하는 드라이빙 프로토콜을 양자 회로 구조에 통합한다.
• 엔트링거 게이트를 직접 사용하여 다큐비트 상호작용을 실현함으로써 회로 깊이를 증가시키는 분해 과정이 필요 없도록 한다.
• 오차를 최소화하기 위해 기대값의 추정치를 개선하기 위해 고전적 최적화와 피드백 루프를 사용한다.
• 전체 상태 톰오그라피의 지수적 자원 스케일링을 피하기 위해 관련 관측량의 기대값에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현존하는 양자 하드웨어에서 QAS를 시간에 따라 변하는 하미르토니안을 시뮬레이션할 수 있도록 확장할 수 있는가?
• RQ2 QAS의 성능은 시간에 따라 변하는 동역학에 대해 트로터화와 변분 양자 시뮬레이션에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ3 QAS는 복잡한 다큐비트 상호작용과 비트리비얼 드라이빙 프로토콜을 효율적으로 구현할 수 있는가?
• RQ4 QAS는 NISQ 장치에서 시간에 따라 변화하는 상태를 시뮬레이션할 때 자원 효율성과 정확도가 어떻게 되는가?

주요 결과

• QAS는 IBM Quantum Experience 플랫폼에서 시간에 따라 변하는 하미르토니안을 시뮬레이션할 때 트로터화와 변분 양자 시뮬레이션을 모두 능가하는 성능을 보였다.
• QAS는 기존 방법으로는 어려운 다큐비트 상호작용과 복잡한 드라이빙 프로토콜의 구현을 가능하게 하였다.
• 노이지 중간 규모 양자 하드웨어에서도 시간 진화 시뮬레이션에서 뛰어난 안정성과 정확도를 보였다.
• 전체 상태 준비를 피하고 기대값의 변분 최적화에 의존함으로써 회로 깊이와 자원 오버헤드를 줄였다.
• 결과는 QAS가 단기적 양자 시뮬레이션에서 시간에 따라 변하는 양자 시스템을 위한 실현 가능하고 유망한 접근법임을 확인시켰다.