[논문 리뷰] Simulating challenging correlated molecules and materials on the Sycamore quantum processor

Ruslan N. Tazhigulov, Shining Sun외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 29.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 구글의 사이카모어 초전도 양자 프로세서에서 실제 상호작용 전자 시스템—질소 고정 효소의 철-황 클러스터와 α-RuCl₃—의 첫 번째 양자 시뮬레이션을 수행한다. 전자 구조를 저에너지 스핀 해밀토니안으로 매핑하고 고급 오차 보정 기법을 적용함으로써, 인공 우월성 실험에서 사용된 자원의 약 1/5만으로도 정량적으로 의미 있는 결과를 도출하였으며, 벤치마크 작업에서 물리적으로 관련된 양자 우월성으로의 길을 보여준다.

ABSTRACT

Simulating complex molecules and materials is an anticipated application of quantum devices. With strong quantum advantage demonstrated in artificial tasks, we examine how such advantage translates into modeling physical problems of correlated electronic structure. We simulate static and dynamical electronic structure on a superconducting quantum processor derived from Google's Sycamore architecture for two representative correlated electron problems: the nitrogenase iron-sulfur molecular clusters, and $α$-ruthenium trichloride, a proximate spin-liquid material. To do so, we simplify the electronic structure into low-energy spin models that fit on the device. With extensive error mitigation and assistance from classically simulated data, we achieve quantitatively meaningful results deploying about 1/5 of the gate resources used in artificial quantum advantage experiments on a similar architecture. This increases to over 1/2 of the gate resources when choosing a model that suits the hardware. Our work serves to convert artificial measures of quantum advantage into a physically relevant setting.

연구 동기 및 목표

• 인공 작업에서 입증된 양자 우월성이 실제 상호작용 전자 시스템의 시뮬레이션으로까지 확장되는지 평가하는 것.
• 초전도 양자 프로세서를 사용하여 질소 고정 효소의 철-황 클러스터와 α-RuCl₃의 정적 및 동적 전자 구조를 시뮬레이션하는 것.
• 하드웨어에 맞춘 모델과 오차 보정이 실제 물질의 양자 시뮬레이션 정확도에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 물리적 시뮬레이션에 필요한 양자 자원과 인공 우월성 실험에서 사용된 자원 간의 비교.
• 인공 양자 우월성 지표와 양자 화학 및 물질 과학 문제의 의미 있는 시뮬레이션 간의 다리를 놓는 것.

제안 방법

• 현재의 양자 하드웨어에 적합한 저에너지 스핀 해밀토니안으로 철-황 클러스터와 α-RuCl₃의 복잡한 전자 구조 문제를 매핑하는 것.
• 재컴파일을 통한 유한온도 양자 허무시계 시간 진화를 적용해 열적 및 동적 성질을 시뮬레이션하는 것.
• 단일 및 이중 큐비트 게이트 벤치마킹과 가용한 시뮬레이션 결과를 활용한 후처리 기법을 포함한 광범위한 오차 보정 기법을 적용하는 것.
• 양자 하드웨어 실행과 고전적으로 시뮬레이션된 기준 데이터를 조합한 하이브리드 접근법을 사용해 정밀도와 해석 가능성을 향상시키는 것.
• 고전적 재컴파일을 통한 회로 설계 최적화로 게이트 수를 감소시키고 웨버 프로세서에서의 성능을 향상시키는 것.
• 단일 큐비트 RB 오차와 이중 큐비트 iSWAP XEB 오차 등의 하드웨어 성능 지표를 기반으로 큐비트 패치를 선별하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 노이지 중간 규모 양자(NISQ) 하드웨어로 실질적인 상호작용 물질의 양자 시뮬레이션을 통해 의미 있는 물리적 결과를 도출할 수 있는가?
• RQ2 실제 물질을 시뮬레이션하는 데 필요한 양자 자원은 인공 우월성 실험에서 사용된 자원과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 오차 보정과 고전적 데이터 보조가 복잡한 전자 구조 문제의 시뮬레이션에서 하드웨어 한계를 얼마나 보완할 수 있는가?
• RQ4 모델 해밀토니안을 하드웨어 특성에 맞게 조정할 경우 시뮬레이션 정밀도와 자원 효율성은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 양자 프로세서가 상호작용 물질의 유한온도 및 동적 성질을 정량적 정확도로 시뮬레이션할 수 있는가?

주요 결과

• 4사이트 철-황 클러스터와 6사이트 α-RuCl₃ 모델의 시뮬레이션에서 오차 보정을 통해 정성적으로 올바른 스핀 구조, 자극 상태 스펙트럼, 열용량을 확보하였다.
• 10사이트 α-RuCl₃ 모델(310개의 이중 큐비트 게이트)에서는 데이터 열화로 인해 신뢰할 수 있는 물리적 스펙트럼을 확보하지 못하여 현재 하드웨어의 게이트 수 한계를 보여주었다.
• 6사이트 α-RuCl₃ 시뮬레이션은 오차 보정과 후처리를 통해 동적 상관 함수의 주파수 구조가 유지됨을 보였다.
• 물리적 시뮬레이션에 사용된 양자 자원은 동일 아키텍처에서의 유사 우월성 실험에서 사용된 자원의 약 1/5 수준이었다.
• 모델를 하드웨어 특성에 맞게 조정할 경우, 우월성 실험에서 사용된 게이트 자원의 1/2 이상을 물리적 관련성 유지 조건에서 효과적으로 활용할 수 있었다.
• 이 연구는 오차 보정과 고전적 보조 기법을 결합할 경우, 인공 우월성 지표를 의미 있는 물리적 관련 양자 시뮬레이션의 기준으로 재해석할 수 있음을 보여주었다.