[論文レビュー] Quantum assisted simulation of time dependent Hamiltonians

Jonathan Wei Zhong Lau, Kishor Bharti+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、時間に依存するハミルトニアンのシミュレーションを可能にするために、量子補助シミュレータ（QAS）アルゴリズムを拡張した。これにより、現在のNISQデバイス上で複雑な多量子ビット相互作用や困難な駆動プロトコルの効率的実装が可能になった。IBM Quantum Experience上で実証されたところ、QASはトレーター化と変分量子シミュレーションを上回る性能を示し、量子ダイナミクスのシミュレーションにおける近い将来の量子優位性の実現が強く期待される。

ABSTRACT

Quantum computers are expected to help us to achieve accurate simulation of the dynamics of many-body quantum systems. However, the limitations of current NISQ devices prevents us from realising this goal today. Recently an algorithm for performing quantum simulations called quantum assisted simulator has been proposed that promises realization on current experimental devices. In this work, we extend the quantum assisted simulator to simulate the dynamics of a class of time-dependent Hamiltonians. We show that the quantum assisted simulator is easier to implement as well as can realize multi-qubit interactions and challenging driving protocols that are difficult with other existing methods. We demonstrate this for a time-dependent Hamiltonian on the IBM Quantum Experience cloud quantum computer by showing superior performance of the quantum assisted simulator compared to Trotterization and variational quantum simulation. Our results indicate that quantum assisted simulator is a promising algorithm for current term quantum hardware.

研究の動機と目的

• 現在のノイジィな中規模量子（NISQ）デバイス上で時間に依存するハミルトニアンをシミュレートする課題に対処すること。
• 標準的な量子シミュレーション手法では対応できない時間に依存するダイナミクスを扱えるよう、量子補助シミュレータ（QAS）フレームワークを拡張すること。
• 既存のアプローチでは難しい、複雑な多量子ビット相互作用や非自明な駆動プロトコルの実装を可能にすること。
• IBM Quantum Experienceプラットフォームを用いて、実機量子ハードウェア上でのQASの実現可能性と利点を実証すること。

提案手法

• 時間に依存するハミルトニアンに適応するため、QASは時間発展演算子を時間とともに変化させる形で拡張された。
• 量子回路を用いて変分状態を準備し、期待値を測定するハイブリッドな量子古典的アーキテクチャを活用する。
• 時間に依存する駆動プロトコルは、時間変動するゲートシーケンスまたはパラメータ化されたアンザッツを介して量子回路構造に組み込まれる。
• 多量子ビット相互作用は、量子回路内でのエンタングルゲートを直接用いることで実現され、回路の深さを増加させる分解を回避する。
• 時間発展演算状態の近似誤差を最小化するために、古典最適化を用いたフィードバックループが用いられる。
• 全状態トモグラフィーの指数的資源スケーリングを回避するため、関連する観測量の期待値に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子補助シミュレータは、現在の量子ハードウェア上で時間に依存するハミルトニアンのシミュレーションに拡張可能か？
• RQ2 QASの時間に依存するダイナミクスにおける性能は、トレーター化と変分量子シミュレーションと比べてどうか？
• RQ3 QASは、複雑な多量子ビット相互作用や非自明な駆動プロトコルを効率的に実装できるか？
• RQ4 QASは、NISQデバイス上で時間発展演算状態をシミュレートする際、リソース効率と正確性に優れているか？

主な発見

• QASは、IBM Quantum Experienceプラットフォーム上で時間に依存するハミルトニアンのシミュレーションにおいて、トレーター化と変分量子シミュレーションを上回る性能を示した。
• QASは、標準的手法では実現が難しい多量子ビット相互作用や複雑な駆動プロトコルの実装を可能にした。
• ノイジィな中規模量子ハードウェアでも、時間発展演算シミュレーションにおいて優れた安定性と正確性を示した。
• 全状態準備を回避し、期待値の変分最適化に依存することで、回路の深さとリソースオーバーヘッドを削減した。
• QASが、時間に依存する量子系の近い将来の量子シミュレーションにおいて実用的で有望なアプローチであることが結果から確認された。