[논문 리뷰] Simulation of Thermal Relaxation in Spin Chemistry Systems on a Quantum Computer Using Inherent Qubit Decoherence

Brian Rost, Barbara Jones외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 03.

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 NISQ 시대 양자 컴퓨터의 내재된 큐비트 비호환성(decoherence)을 이용해 스핀 화학 시스템, 특히 라디칼 페어 동역학에서 열적 회복을 시뮬레이션하는 데 자원으로 활용하는 방법을 제안한다. 명시적 오류 보정 대신 자연스러운 비호환성을 활용함으로써, 양자 진동과 시간 해상도가 있는 자기장 효과를 정확하게 시뮬레이션하였으며, TMP/PTP 및 DPS/PTP 시스템에 대해 실험 데이터와 이론 예측과 뛰어난 일치를 보였다.

ABSTRACT

Current and near term quantum computers (i.e. NISQ devices) are limited in their computational power in part due to qubit decoherence. Here we seek to take advantage of qubit decoherence as a resource in simulating the behavior of real world quantum systems, which are always subject to decoherence, with no additional computational overhead. As a first step toward this goal we simulate the thermal relaxation of quantum beats in radical ion pairs (RPs) on a quantum computer as a proof of concept of the method. We present three methods for implementing the thermal relaxation, one which explicitly applies the relaxation Kraus operators, one which combines results from two separate circuits in a classical post-processing step, and one which relies on leveraging the inherent decoherence of the qubits themselves. We use our methods to simulate two real world systems and find excellent agreement between our results, experimental data, and the theoretical prediction.

연구 동기 및 목표

• NISQ 양자 컴퓨터의 내재된 큐비트 비호환성이 개방 양자 시스템을 시뮬레이션하는 데 계산 자원으로 재활용될 수 있음을 보여주기 위해.
• 추가 오류 보정 또는 회로 오버헤드 없이도 라디칼 페어 시스템의 열적 회복을 시뮬레이션하기 위해.
• 시뮬레이션된 시간 해상도 자기장 효과(TR-MFE)를 실험 데이터 및 이론 모델과 비교하여 방법을 검증하기 위해.
• 명시적 크라우스 연산자, 별도 회로의 고전적 후처리, 자연스러운 큐비트 비호환성의 직접 활용을 포함한 세 가지 다른 구현 전략을 탐색하기 위해.
• 일般적으로 장애물로 간주되는 비호환성이 실제로 양자 화학 시뮬레이션에서 현실적인 회복 과정을 모델링하는 데 활용될 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 초기 상태가 싱게트 상태로 설정된 얽힌 라디칼 페어 상태의 시간 진화를 시뮬레이션하기 위해 양자 회로 모델을 사용하며, 동역학은 초미세 결합과 제이만 상호작용에 의해 지배된다.
• 열적 회복을 세 가지 방법으로 구현한다: (1) 크라우스 연산자 직접 적용, (2) 두 개의 별도 회로 결과의 고전적 후처리, (3) 내재된 큐비트 비호환성의 직접 활용.
• 비호환성 하에서의 정상 상태 밀도 행렬인 $ρ_{∞}$ 를 사용하여 회복 과정을 양자 채널 $ρ_{U} = ρ_{D} = ρ_{∞}$ 로 모델링한다.
• 자기장 의존성 동역학을 시뮬레이션하기 위해 $R_z(\phi/2)$ 회전 게이트를 적용하고, 이를 비호환성 채널 $\mathcal{E}^\infty$ 와 조합하여 전체 진화를 재현한다.
• 시간 해상도 자기장 효과(TR-MFE) 비율 $M(t) = I_B(t)/I_0(t)$ 를 사용하여 시뮬레이션된 결과와 실험적 발광 신호를 비교하며, 시간에 따라 변하는 재결합 속도를 상쇄한다.
• 실험 데이터 및 이론 예측과의 비교를 통해 결과를 검증하며, 검출기 한계를 반영하기 위해 가우시안 노이즈 모델을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NISQ 장치의 내재된 큐비트 비호환성이 스핀 화학 시스템에서 열적 회복을 시뮬레이션하는 데 물리적 자원으로 활용될 수 있는가?
• RQ2 양자 시뮬레이션은 라디칼 페어 시스템에서 실험적 시간 해상도 자기장 효과(TR-MFE)를 얼마나 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ3 크라우스 연산자, 후처리, 자연스러운 비호환성의 세 가지 다른 방법을 구현하는 데 있어 상대적 장점과 한계는 무엇인가?
• RQ4 시뮬레이션된 TR-MFE 프로파일이 실제로 존재하는 라디칼 페어 시스템인 TMP/PTP 및 DPS/PTP에 대해 실험 데이터 및 이론 예측과 얼마나 일치하는가?
• RQ5 검출기 노이즈와 신호 감쇠는 실험적 TR-MFE 측정의 신뢰성에 어떤 영향을 미치며, 양자 시뮬레이션은 이러한 제약을 극복할 수 있는가?

주요 결과

• 내재된 큐비트 비호환성을 활용한 방법은 TMP/PTP 및 DPS/PTP 라디칼 페어 모두에 대해 실험 데이터와 높은 정밀도로 TR-MFE 신호를 재현하였다.
• TMP/PTP 시스템의 경우, 장시간에 걸쳐 증가하는 실험적 TR-MFE 데이터의 노이즈를 정확히 재현하기 위해 $\mu=0$ 이고 $\sigma=75$ 인 가우시안 노이즈 모델이 적합하였다.
• DPS/PTP 시스템의 경우, $\sigma=700$ 인 노이즈 모델이 실험적 노이즈 행동을 잘 포괄하여 시뮬레이션 프레임워크의 강건성을 확인하였다.
• 크라우스 연산자, 후처리, 자연스러운 비호환성의 세 방법 모두 일관된 결과를 도출하였으며, 후자의 경우 현재 하드웨어에서 가장 효율적인 구현 방식을 제공하였다.
• 자기장 및 시간 지연에 따라 변화하는 $S(t)$, 즉 싱게트 상태 확률에 대한 시뮬레이션 결과는 이론 예측 및 다양한 조건에서의 실험적 발광 프로파일과 일치하였다.
• 이 연구는 비호환성이 일반적으로 계산적 제약로 간주되지만, 실제로는 양자 화학 시뮬레이션에서 현실적인 회복 과정을 모델링하는 물리적 메커니즘으로 재활용될 수 있음을 보여주었다.