[論文レビュー] Simulation of Thermal Relaxation in Spin Chemistry Systems on a Quantum Computer Using Inherent Qubit Decoherence

Brian Rost, Barbara Jones+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2020

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、NISQ時代の量子コンピュータにおける固有のキュービットデコherenceを、スピン化学系における熱的緩下を模擬するリソースとして活用する手法を提案する。具体的には、ラジカルペアのダイナミクスを対象とする。明示的なエラー補正を用いずに自然デコherenceを活用することで、量子ビートおよび時間分解磁場効果の正確なシミュレーションが達成され、TMP/PTPおよびDPS/PTP系の両方において、実験データおよび理論的予測と優れた一致を示す。

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.

研究の動機と目的

• NISQ量子コンピュータにおけるキュービットの固有デコherenceが、オープン量子系をシミュレートする計算リソースとして再利用可能であることを示すこと。
• 追加のエラーミタゲーションや回路のオーバーヘッドなしに、スピン化学の根幹をなすラジカルペア系における熱的緩下をシミュレートすること。
• 実験データおよび理論的モデルと比較することで、時間分解磁場効果（TR-MFE）のシミュレーションを検証すること。
• 明示的Kraus作用素、別個回路の古典的後処理、自然キュービットデコherenceの直接利用の3つの異なる実装戦略を検討すること。
• 通常は障害とされるデコherenceが、量子化学シミュレーションにおける現実的な緩下プロセスをモデル化するための有効な物理的メカニズムとして活用可能であることを示すこと。

提案手法

• エンタングルドラジカルペア状態をスイングル状態で準備し、ハイパーフィン結合およびゼーマン相互作用によって支配される時間発展を量子回路モデルでシミュレートする。
• 熱的緩下を3つのアプローチで実装する：(1) Kraus作用素の明示的適用、(2) 2つの別個回路の結果に対する古典的後処理、(3) キュービットの固有デコherenceの直接的利用。
• 量子チャネル $ρ_{U} = ρ_{D} = ρ_{∞}$ を用いて緩下プロセスをモデル化し、ここで $ρ_{∞}$ はデコherence下での定常状態密度行列を表す。
• 磁場依存のダイナミクスを再現するために回転ゲート $R_z(\phi/2)$ を適用し、それらをデコherenceチャネル $\mathcal{E}^\infty$ と組み合わせて完全な時間発展を再現する。
• 時間分解磁場効果（TR-MFE）比 $M(t) = I_B(t)/I_0(t)$ を用いて、シミュレートされた蛍光信号と実験データを比較し、時間依存の再結合率を相殺する。
• ガウスノイズモデルを用いて検出器の制限を反映させ、シミュレートされたTR-MFE曲線と実験データおよび理論的予測との一致を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NISQデバイスにおけるキュービットの固有デコherenceは、スピン化学系における熱的緩下を模擬する物理的リソースとして利用可能か？
• RQ2 量子シミュレーションは、ラジカルペア系における実験的時間分解磁場効果（TR-MFE）をどの程度正確に再現できるか？
• RQ3 Kraus作用素、後処理、自然デコherenceの3つの異なる緩下実装手法の相対的な利点と制限は何か？
• RQ4 シミュレートされたTR-MFEプロファイルは、TMP/PTPおよびDPS/PTPといった実際のラジカルペア系の実験データおよび理論的予測とどの程度一致するか？
• RQ5 検出器のノイズおよび信号減衰は、実験的TR-MFE測定の信頼性にどの程度影響を及えるか？量子シミュレーションはこれらの制限を克服できるか？

主な発見

• 固有デコherenceを活用する手法は、TMP/PTPおよびDPS/PTP両方のラジカルペアに対して、実験データと高い整合性をもってTR-MFE信号を再現した。
• TMP/PTP系では、$\mu=0$ および $\sigma=75$ のガウスノイズモデルが、長時間における実験TR-MFEデータのノイズ増加を正確に再現した。
• DPS/PTP系では、$\sigma=700$ のノイズモデルが実験的ノイズ挙動を捉えており、シミュレーションフレームワークの頑健性を裏付けた。
• Kraus作用素、後処理、自然デコherenceの3つの手法は一貫した結果をもたらし、後者の手法が現在のハードウェア上で最も効率的な実装であった。
• スイングル状態確率 $S(t)$ のシミュレーション結果は、さまざまな磁場および時間遅延において理論的予測と実験的蛍光プロファイルと一致した。
• 本研究は、通常は計算上の制限とされるデコherenceが、量子化学シミュレーションにおける現実的な緩下をモデル化するための物理的メカニズムとして再利用可能であることを示した。