[论文解读] Comment on: "Classical signature of quantum annealing"

Lei Wang, Troels F. Rønnow+7 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2013

Quantum Information and Cryptography被引用 24

一句话总结

本文挑战了仅凭双模态成功概率分布即可证明D-Wave设备中存在量子退火的观点。文章提出了一种半经典的O(3)自旋模型，并分析了Smolin-Smith的O(2)模型，表明这两种模型均无法重现D-Wave设备与模拟量子退火器之间存在的强成功概率相关性——这是量子行为的关键特征。结果支持量子效应在D-Wave One设备中持续存在，而不仅限于直方图的双模性。

ABSTRACT

In a recent preprint (arXiv:1305.4904) entitled "Classical signature of quantum annealing" Smolin and Smith point out that a bimodal distribution presented in (arXiv:1304.4595) for the success probability in the D-Wave device does not in itself provide sufficient evidence for quantum annealing, by presenting a classical model that also exhibits bimodality. Here we analyze their model and in addition present a similar model derived from the semi-classical limit of quantum spin dynamics, which also exhibits a bimodal distribution. We find that in both cases the correlations between the success probabilities of these classical models and the D-Wave device are weak compared to the correlations between a simulated quantum annealer and the D-Wave device. Indeed, the evidence for quantum annealing presented in arXiv:1304.4595 is not limited to the bimodality, but relies in addition on the success probability correlations between the D-Wave device and the simulated quantum annealer. The Smolin-Smith model and our semi-classical spin model both fail this correlation test.

研究动机与目标

• 评估D-Wave设备中双模态成功概率分布是否足以作为量子退火的证据。
• 检验经典模型（特别是Smolin-Smith的O(2)模型和一种新型半经典O(3)模型）对实验D-Wave数据的有效性。
• 确定经典模型能否重现D-Wave设备与模拟量子退火器之间观察到的强实例级成功概率相关性。
• 探究为何半经典模型尽管表现出双模分布，却无法与D-Wave结果相关联。
• 提供证据表明，量子相干性而非经典动力学解释了D-Wave设备在困难实例上的性能表现。

提出的方法

• 基于量子自旋动力学的平均场极限，使用单位向量的经典运动方程，构建了半经典的O(3)自旋模型。
• 通过平面转子与时间依赖的横向和纵向场，实现了Smolin-Smith的O(2)模型，以模拟退火协议。
• 对N=108的1000个随机伊辛自旋玻璃实例进行了退火过程模拟，测量了经典模型和D-Wave One设备的成功概率。
• 比较了D-Wave设备与两种经典模型之间的成功概率相关性，以及D-Wave设备与模拟量子退火器（SQA）之间的相关性。
• 对自旋引入随机初始扰动，以模拟热噪声和初始态缺陷。
• 使用D-Wave数据的规范平均成功概率改进相关性分析，与经典和量子模型进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有双模态成功概率分布的经典模型能否复现D-Wave One设备与模拟量子退火器之间观察到的实例级性能相关性？
• RQ2 为何半经典自旋模型尽管表现出双模分布，却无法与D-Wave的成功概率相关联？
• RQ3 经典模型无法复现D-Wave设备相关性，是否意味着设备中存在量子效应？
• RQ4 在D-Wave设备和量子模拟中，困难实例与简单实例的激发态能隙和汉明距离有何不同？
• RQ5 量子相干性（尤其是能量本征态基下的相干性）在解释D-Wave设备在某些困难实例上优于经典模型的性能方面起到何种作用？

主要发现

• 半经典的O(3)模型产生了双模态成功概率分布，但其‘困难’峰值的权重显著高于D-Wave设备和模拟量子退火（SQA）的结果。
• D-Wave设备与半经典O(3)模型之间的相关性较弱，尤其是在困难和中等难度实例上，与D-Wave设备和SQA之间观察到的强正相关性形成鲜明对比。
• Smolin-Smith的O(2)模型同样无法复现D-Wave设备的成功概率相关性，表现出类似的峰值权重失衡和弱实例级一致性。
• O(3)和O(2)经典模型在成功概率上表现出强烈的相互相关性，表明它们具有相似的经典动力学，但均无法匹配D-Wave设备的行为。
• D-Wave设备在某些对两种经典模型均困难的实例上仍能成功，表明量子相干性使性能超越了经典极限。
• 本研究确认，D-Wave设备与SQA之间强成功概率相关性（经能隙和汉明距离分析支持）比双模性本身提供了更强的量子退火证据。