[논문 리뷰] Quantum critical dynamics in a 5000-qubit programmable spin glass

Andrew King, Jack Raymond외 25명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 27.

Theoretical and Computational Physics인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 D-Wave Advantage 양자 애너일링을 사용하여 5000 큐비트 프로그래머블 초전도 스핀 거품에서 양자 임계 역학을 실험적으로 입증한다. 작은 시스템에서는 양자 애너일링과 슈뢰딩거 역학 간의 정량적 일치를 보이며, 고전적 몽테카를로 방법과 구별되는 임계 지수를 추출하여 시간에 따른 에너지 감소에서의 스케일링 우월성에 대한 실험적이고 이론적인 증거를 제공한다.

ABSTRACT

Experiments on disordered alloys suggest that spin glasses can be brought into low-energy states faster by annealing quantum fluctuations than by conventional thermal annealing. Due to the importance of spin glasses as a paradigmatic computational testbed, reproducing this phenomenon in a programmable system has remained a central challenge in quantum optimization. Here we achieve this goal by realizing quantum critical spin-glass dynamics on thousands of qubits with a superconducting quantum annealer. We first demonstrate quantitative agreement between quantum annealing and time-evolution of the Schrödinger equation in small spin glasses. We then measure dynamics in 3D spin glasses on thousands of qubits, where simulation of many-body quantum dynamics is intractable. We extract critical exponents that clearly distinguish quantum annealing from the slower stochastic dynamics of analogous Monte Carlo algorithms, providing both theoretical and experimental support for a scaling advantage in reducing energy as a function of annealing time.

연구 동기 및 목표

• 대규모 프로그래머블 스핀 거품 시스템에서 양자 임계 역학을 실험적으로 입증하는 것.
• 작은 스핀 거품 시스템에서 슈뢰딩거 방정식의 시간에 따른 진화와 양자 애너일링을 검증하는 것.
• 고전적 시뮬레이션이 비가역적인 3D 스핀 거품에서 수천 개의 큐비트를 가진 시스템에서 임계 지수를 측정하고 추출하는 것.
• 잔류 에너지 감쇠 및 스케일링 행동 측면에서 양자 애너일링 성능을 고전적 시뮬레이티드 애너일링(SA) 및 시뮬레이티드 양자 애너일링(SQA)과 비교하는 것.
• 복잡한 스핀 거품 시스템 최적화에서 양자 우월성에 대한 실험적이고 이론적 증거를 제공하는 것.

제안 방법

• 연구는 초전도 플럭스 큐비트로 구성된 프로그래머블 격자에서 횡방향 자기장 이징 모델을 실현하기 위해 D-Wave Advantage 양자 애너일링을 사용한다.
• 시스템은 양자 패라자이징 상태로 초기화되며, 시간에 따라 변화하는 애너일링 스케줄을 통해 횡방향 자기장 Γ(s)와 이징 결합 J(s)를 조절한다.
• 양자 역학적 동역학은 잔류 에너지와 질서 매개변수를 애너일링 시간의 함수로 측정함으로써 탐색되며, 임계 지수는 동적 스케일링 분 析를 통해 추출된다.
• 실험은 시뮬레이티드 애너일링(SA) 및 경로 적분 몽테카를로 기반 시뮬레이티드 양자 애너일링(SQA)을 포함한 고전적 몽테카를로 방법과 비교된다.
• 캘리브레이션 정밀화 기법으로는 애너일링 오프셋 및 플럭스 오프셋 셰이밍이 적용되어 커플러의 과도한 불균형을 균일화하고 큐비트 자화를 균형 있게 유지함으로써 임계 지수 추정의 데이터 품질을 향상시킨다.
• 스핀 거품 임베딩은 논리 문제 크기를 줄이기 위해 페로자이징 디머를 사용하며, 임베딩된 모델과 축소된 논리 모델 간의 비교를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 프로그래머블 스핀 거품 시스템에서의 양자 애너일링이 양자 상전이의 임계 역학을 재현할 수 있는가?
• RQ2 양자 애너일링에서 추출한 임계 지수는 고전적 몽테카를로 시뮬레이션 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 양자 임계성이 존재하는 조건에서, 양자 애너일링은 고전적 시뮬레이티드 애너일링 및 시뮬레이티드 양자 애너일링보다 더 빠른 에너지 감소를 달성하는가?
• RQ4 캘리브레이션 정밀화 기법이 대규모 양자 애너일링 실험에서 임계 지수 추정의 정확도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 스핀 거품 시스템에서 잔류 에너지 감소 측면에서 양자 애너일링은 고전적 방법에 비해 측정 가능한 스케일링 우월성을 보이는가?

주요 결과

• 작은 스핀 거품 시스템에서 양자 애너일링은 시간에 따른 슈뢰딩거 역학과 정량적 일치를 보이며, 프로세서의 양자 시뮬레이션 능력을 검증한다.
• 5000 큐비트를 가진 3D 스핀 거품에서 추출한 임계 지수는 양자 애너일링과 고전적 확률적 역학 간의 근본적인 차이를 명확히 드러내며, 이는 회복 메커니즘의 본질적 차이를 시사한다.
• 잔류 에너지 감쇠가 시뮬레이티드 애너일링(SA) 및 시뮬레이티드 양자 애너일링(SQA)보다 유의미하게 더 빠르게 이루어지며, 협동 양자 영역에서 스케일링 우월성이 관찰된다.
• 애너일링 및 플럭스 오프셋 셰이밍을 포함한 캘리브레이션 정밀화 기법은 균일한 과도한 불균형과 균형 잡힌 큐비트 자화를 달성하는 데 필수적이며, 신뢰할 수 있는 임계 지수 추정을 가능하게 한다.
• 고전적 방법에 영향을 주지 않는 임베딩 오버헤드가 존재하더라도, 양자 애너일링은 절대 잔류 에너지 및 스케일링 행동 측면에서 시뮬레이티드 애너일링을 능가한다.
• 이 연구는 양자 임계 역학을 통한 복잡한 스핀 거품 문제 최적화에서의 양자 우월성에 대한 실험적이고 이론적 지원을 제공한다.