[论文解读] Classical signature of quantum annealing

John A. Smolin, Graeme Smith|arXiv (Cornell University)|May 21, 2013

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 10

一句话总结

本文提出了一种经典模型——'经典罗盘动力学'——该模型能够复现D-Wave One处理器中被宣称作为量子退火特征的关键行为。通过在图上模拟受噪声影响的确定性自旋演化，该模型再现了实验中观察到的双峰成功分布和基态抑制现象，表明这些现象并不唯一暗示量子效应。

ABSTRACT

A pair of recent articles concluded that the D-Wave One machine actually operates in the quantum regime, rather than performing some classical evolution. Here we give a classical model that leads to the same behaviors used in those works to infer quantum effects. Thus, the evidence presented does not demonstrate the presence of quantum effects.

研究动机与目标

• 挑战将D-Wave One机器中特定实验行为解释为量子退火决定性证据的观点。
• 证明具有噪声的经典确定性动力学能够复现被宣称的量子效应的相同统计特征。
• 主张在优化任务中观察到的双峰成功分布并非本质上是量子的，而可从具有噪声的经典绝热演化中产生。
• 提出'基态绝热拖拽'——而非量子退火——更能描述该过程，强调其经典类比。
• 警告不应在缺乏更强、更严格标准的情况下，将实验结果过度解释为量子加速的证据。

提出的方法

• 开发了一种经典罗盘模型，其中每个自旋在时变哈密顿量作用下进行确定性演化，模拟绝热演化。
• 在离散时间间隔施加随机噪声（对角速度的扰动），以模拟环境影响，但未引入热噪声或细致平衡。
• 使用与参考文献[1]和[2]中相同的耦合和场强，对八自旋系统和108自旋D-Wave实例进行模拟，采用拖拽时间T。
• 采用具有横向和纵向场的经典哈密顿量，驱动自旋状态沿一条避免能级简并的路径演化。
• 通过有噪声和无噪声的模拟测试双峰成功分布的鲁棒性，并与原始D-Wave和模拟退火结果进行比较。
• 执行确定性运行（每实例一次）和噪声运行（每实例30次），以评估成功概率分布，复现双峰模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 经典确定性动力学结合噪声能否复现D-Wave 108自旋实验中观察到的双峰成功分布？
• RQ2 八自旋系统中孤立基态的抑制和簇态概率增强是否表明量子行为，还是可由经典理论解释？
• RQ3 D-Wave机器中观察到的行为是否真正指示量子退火，还是可能源于具有噪声的经典绝热演化？
• RQ4 经典绝热演化的类比能否复现被宣称用于证明量子优势的关键实验特征？
• RQ5 在经典绝热拖拽中，噪声的作用是什么，其是否以类似于模拟退火的方式提升性能？

主要发现

• 经典罗盘模型成功复现了D-Wave One机器在108自旋实例中观察到的双峰成功分布，其中249例始终被解决，251例从未被解决。
• 在引入噪声后，模型仍保持双峰分布，且在500例中有401例在30次试验中至少一次找到基态，表明噪声提升了性能。
• 八自旋系统的基态抑制（p_s < p_C）在经典模型中被复现，反驳了该行为是唯一量子现象的宣称。
• 该模型表明，具有噪声的确定性绝热演化可产生与归因于量子退火的结果无法区分的结果，从而挑战了这些特征的量子起源。
• 经典模型的成功意味着观察到的行为不足以作为D-Wave系统中量子特性的证据，或其量子加速的证据。
• 作者结论认为，在声称存在量子优势之前，需要更强的证据，因为经典系统可以复现所报告的现象。