[논문 리뷰] Ultrafast State Preparation via the Quantum Approximate Optimization Algorithm with Long Range Interactions

Wen Wei Ho, Cheryne Jonay외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 11.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 근접된 양자 장치에서 초고속 양자 상태 준비를 가능하게 하기 위해 장거리 상호작용(LRIs)을 포함한 변동형 양자-고전 시뮬레이션(VQCS) 프로토콜을 제안한다. 장거리 상호작용을 활용하여 회로 깊이와 연산 수를 극적으로 감소시킴으로써, 단 한 번의 반복만으로도 100 큐비트 시스템에서 GHZ 상태와 장거리 횡방향 자기장 이징 모델의 임계점이 99% 이상의 허용 오차로 준비됨을 입증한다.

ABSTRACT

State preparation protocols ideally require as minimal operations as possible, in order to be implemented in near-term, potentially noisy quantum devices. Motivated by long range interactions (LRIs) intrinsic to many present-day experimental platforms (trapped ions, Rydberg atom arrays, etc.), we investigate the efficacy of variationally simulating non-trivial quantum states using the Variational Quantum-Classical Simulation (VQCS) protocol explored recently in [SciPost Phys. 6, 029 (2019)], in the presence of LRIs. We show that this approach leads to extremely efficient state preparation: for example, Greene-Horne-Zeilinger (GHZ) states can be prepared with O(1) iterations of the protocol, and a quantum critical point of the long range transverse field Ising model (TFIM) can be prepared with > 99% fidelity on a 100 qubit system with only one iteration. Furthermore, we show that VQCS with LRIs is a promising route for exploring generic points in the phase diagram of the long-range TFIM. Our approach thus provides concrete, ultrafast protocols for quantum simulators equipped with long range interactions.

연구 동기 및 목표

• 최소한의 게이트 연산을 요구하는 근접된 양자 장치를 위한 효율적인 상태 준비 프로토콜을 개발하기 위해.
• 장거리 상호작용(LRIs)이 변동형 양자 시뮬레이션 효율성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• GHZ 상태와 양자 임계점과 같은 비트란 양자 상태를 빠르고 고정밀도로 준비하기 위해.
• 장거리 횡방향 자기장 이징 모델의 상도 다이어그램에서 일반적인 점들을 VQCS와 LRIs를 활용해 탐색하기 위해.
• 내재된 장거리 상호작용을 갖는 양자 시뮬레이터를 위한 실용적이고 초고속 프로토콜을 제공하기 위해.

제안 방법

• 아날로그 설계에 장거리 상호작용(LRIs)을 포함시켜 VQCS 프로토콜을 적응시킴.
• 목표 해밀토니안의 에너지 기대값을 최소화하기 위해 변동형 최적화를 사용함.
• 엔트랑플레임트를 강화하고 필요한 변동형 반복 수를 줄이기 위해 LRIs를 활용함.
• 조절 가능한 장거리 결합을 갖는 파arameterized 양자 회로를 사용해 목표 상태를 준비함.
• 고전적 최적화를 통해 변동형 매개변수를 조정하여 고정밀도의 기저 상태 또는 임계 상태로 수렴함.
• 최대 100 큐비트까지의 장거리 횡방향 자기장 이징 모델(TFIM)에서 성능을 검증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장거리 상호작용을 포함한 VQCS는 최소한의 회로 깊이로 초고속 상태 준비를 달성할 수 있는가?
• RQ2 LRIs의 포함 여부가 변동형 상태 준비의 정확도와 수렴 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 장거리 TFIM의 양자 임계점은 VQCS와 LRIs를 통해 한 번의 반복으로 고정밀도로 준비될 수 있는가?
• RQ4 VQCS와 LRIs를 통해 장거리 TFIM의 상도 다이어그램에서 일반적인 점들을 어느 정도 탐색할 수 있는가?
• RQ5 VQCS와 LRIs는 근접된 양자 시뮬레이터에 대해 확장 가능하고 실용적인 접근법인가?

주요 결과

• GHZ 상태는 장거리 상호작용 하에서 VQCS를 통해 O(1)회의 반복으로 준비될 수 있어 극도로 효율적임을 시사함.
• 100 큐비트 시스템에서 장거리 횡방향 자기장 이징 모델의 양자 임계점이 단 한 번의 반복만으로 99% 이상의 정확도로 준비됨.
• 장거리 상호작용의 존재는 변동형 상태 준비의 수렴 속도와 정확도를 크게 향상시킴.
• VQCS와 LRIs를 통해 장거리 TFIM의 상도 다이어그램에서 일반적인 점들에 대한 탐색이 가능하며, 이는 최소한의 회로 깊이로도 가능함.
• 이 방법은 내재된 장거리 상호작용을 갖는 근접된 양자 장치에 대해 확장성과 내성적 안정성을 보임.
• 깊은 회로가 필요 없이 고정밀도 상태 준비를 달성하여 노이지 중간 규모(NISQ) 하드웨어에 적합함.