[论文解读] Architectures for quantum simulation showing quantum supremacy

Juan Bermejo-Vega, Dominik Hangleiter+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于非自适应测量的两维动态量子模拟器，通过最少的控制实现量子优越性。通过制备一个乘积态，使其在简单且平移不变的哈密顿量下演化，并执行固定基测量，该方案实现了高效的认证以及在冷原子光学晶格等平台上的近期待实验可行性。

ABSTRACT

One of the main aims in the field of simulation is to achieve a speedup, often referred to as quantum computational supremacy, referring to the experimental realization of a device that computationally outperforms classical computers. In this work, we show that one can devise versatile and feasible schemes of two-dimensional dynamical simulators showing such a speedup, building on intermediate problems involving non-adaptive measurement-based computation. In each of the schemes, an initial product state is prepared, potentially involving an element of randomness as in disordered models, followed by a short-time evolution under a basic translationally invariant Hamiltonian with simple nearest-neighbor interactions and a mere sampling measurement in a fixed basis. The correctness of the final state preparation in each scheme is fully efficiently certifiable. We discuss experimental necessities and possible physical architectures, inspired by platforms of cold atoms in optical lattices and a number of others, as well as specific assumptions that enter the complexity-theoretic arguments. This work shows that benchmark settings exhibiting a speedup may require little control in contrast to universal computing. Thus, our proposal puts a convincing experimental demonstration of a speedup within reach in the near term.

研究动机与目标

• 设计可行的量子模拟架构，以最少的实验控制实现量子计算优越性。
• 识别基于测量的量子计算的中间问题，实现加速而无需完全通用性。
• 确保最终态制备的正确性可通过经典方法高效认证。
• 识别可近期内在实验中实现该方案的物理架构，如光学晶格中的冷原子。
• 建立复杂性理论假设，以在现实实验约束下支持量子优越性的主张。

提出的方法

• 该方案从制备一个初始乘积态开始，可能包含无序性，以模拟真实的物理系统。
• 使用仅包含最近邻相互作用的平移不变哈密顿量，施加短时间演化，以最小化控制复杂度。
• 系统在固定基下执行单次测量，无需自适应调整，从而降低实验开销。
• 通过高效的经典认证验证最终态的正确性，确保输出可验证而无需完整的量子态层析。
• 该架构设计为与现有量子平台兼容，包括超冷原子在光学晶格中及其他类似模拟器。
• 理论复杂性论证基于经典模拟困难性的假设，支持量子优越性的主张。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子模拟架构能否在最小控制和简单操作下实现量子优越性？
• RQ2 是否可能在非通用、非自适应的测量基量子计算框架中展示量子加速？
• RQ3 此类方案中最终态的正确性能否通过经典方法高效验证？
• RQ4 哪些物理平台可利用当前或近期技术实现该方案？
• RQ5 在该设置下，为支持量子优越性主张，需要哪些复杂性理论假设？

主要发现

• 所提出的方案仅通过简单且平移不变哈密顿量下的短时间演化，即实现了量子计算优越性。
• 最终态制备完全可高效认证，实现经典验证量子优势而无需完整态重建。
• 该方案所需控制极少——无需自适应测量或复杂门序列——使其具有实验可实现性。
• 该架构与现有量子模拟平台兼容，包括超冷原子在光学晶格中。
• 该方案表明，量子加速可在非通用量子计算机的中间问题中实现。
• 支持量子优越性的复杂性理论论证依赖于经典模拟难以实现的合理假设。