[논문 리뷰] Stabiliser sets and physical ancillas for the Lechner-Hauke-Zoller Annealer

Andrea Rocchetto, Simon C. Benjamin외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 28.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 레처-하우케-졸러(LHZ) 양자 앤날링 아키텍처의 안정자 코드 표현을 제안하며, 이는 파리티 제약 조건을 일반화하여 큐트리트 대신 큐비트(스핀-1/2)만을 사용하는 더 단순한 물리적 실현 가능성을 가능하게 한다. 새로운 설계는 더 단순한 상호작용을 특징으로 하며, 시뮬레이션 결과 앤날링 중 더 큰 최소 에너지 갭을 유지할 가능성이 있어 성능 향상이 기대된다.

ABSTRACT

In a recent paper Lechner, Hauke and Zoller (LHZ) described a means to translate a Hamiltonian of $N$ spin-$\frac{1}{2}$ particles with `all-to-all' interactions into a larger physical lattice with only on-site energies and local parity constraints. LHZ used this mapping to propose a novel form of quantum annealing. Here we provide a stabiliser-based formulation of this approach, which permits some generalisation to the parity constraints proposed by LHZ. One variant we obtain may simplify the physical realisation since the required ancillas are only spin-$\frac{1}{2}$ systems (i.e.~qubits, rather than qutrits) and moreover the interactions {are} very simple. We make a preliminary assessment of the impact of different design choices by simulating small (few-qubit) systems; we find some indications that the new variant may maintain a larger minimum energy gap during the annealing process.

연구 동기 및 목표

• 안정자 코드를 활용해 LHZ 양자 앤날링 아키텍처를 더 일반화하고 물리적으로 실현 가능하도록 재구성하는 것.
• 원래 LHZ 매핑의 파리티 제약 조건을 일반화하여 물리적 실현을 단순화하는 것.
• 큐트리트 대신 큐비트(스핀-1/2)만을 사용하는 앤실라 요구를 줄이는 것.
• 소규모 시뮬레이션을 통해 설계 선택이 양자 앤날링 중 에너지 갭에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 새로운 변종이 더 큰 최소 에너지 갭을 유지하는지 탐색하여 앤날링 성공 확률 향상을 유도하는지 확인하는 것.

제안 방법

• 안정자 코드 프레임워크를 도입해 LHZ 매핑을 재표현함으로써 파리티 제약 조건의 체계적 일반화를 가능하게 하는 것.
• 큐비트 앤실라만을 사용하는 LHZ 아키텍처의 변종을 제안하여 물리적 실현에서 큐트리트가 필요 없도록 하는 것.
• 현재의 양자 하드웨어 플랫폼에서 더 자연스럽게 실현 가능한 더 단순한 상호작용을 설계하는 것.
• 소규모 수치 시뮬레이션(몇 개의 큐비트 시스템)을 활용해 다양한 설계 변종 간의 에너지 갭 변화를 비교하는 것.
• 안정자 형식을 적용해 양자 오류정정 코드 원칙과 일관성을 유지하면서도 앤날링 제약 조건에 적응하는 것.
• 성능의 주요 지표로 앤날링 진화 중 최소 에너지 갭을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHZ 양자 앤날링 아키텍처를 안정자 코드를 활용해 재구성하여 더 일반적인 파리티 제약 조건을 허용할 수 있는가?
• RQ2 LHZ 아키텍처에서 큐트리트 앤실라를 큐비트 앤실라로 대체하면 성능을 저하시키지 않고 물리적 실현이 단순해지는가?
• RQ3 새로운 변종에서 단순화된 상호작용이 앤날링 과정 중 최소 에너지 갭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 소규모 양자 앤날링 시스템에서 다양한 제약 구조가 에너지 갭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 안정자 기반의 재구성은 양자 앤날링을 위한 더 강건하거나 확장 가능한 아키텍처로 이어질 수 있는가?

주요 결과

• 안정자 기반의 표현은 LHZ 매핑을 성공적으로 일반화하여 더 넓은 범위의 파리티 제약 조건을 허용한다.
• 새로운 변종은 큐비트 앤실라만을 사용하여 원래 큐트리트 기반 설계에 비해 물리적 실현이 훨씬 단순해진다.
• 새로운 설계에서 요구되는 상호작용은 훨씬 단순하며 현재의 양자 하드웨어 플랫폼에 더 적합하다.
• 소규모 시스템의 시뮬레이션 결과, 새로운 변종이 앤날링 과정 중 더 큰 최소 에너지 갭을 유지할 가능성이 있음이 나타났다.
• 시뮬레이션에서 관측된 더 큰 최소 에너지 갭은 앤날링 성공 확률 향상과 강건성 향상의 잠재적 가능성을 시사한다.