[论文解读] Digital quantum simulation of NMR experiments

Kushal Seetharam, Debopriyo Biswas+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2021

Advanced NMR Techniques and Applications参考文献 36被引用 5

一句话总结

该论文首次使用离子阱量子计算机实现了核磁共振（NMR）谱的数字量子模拟，利用四个量子比特模拟了乙腈甲基基团的零场NMR谱。通过应用压缩感知和优化的量子线路合成方法，该方法将采样成本降低了整整一个数量级，并实现了高分辨率谱图，从而在近期量子硬件上高效模拟了经典计算难以处理的NMR体系。

ABSTRACT

Simulations of nuclear magnetic resonance (NMR) experiments can be an important tool for extracting information about molecular structure and optimizing experimental protocols but are often intractable on classical computers for large molecules such as proteins and for protocols such as zero-field NMR. We demonstrate the first quantum simulation of an NMR spectrum, computing the zero-field spectrum of the methyl group of acetonitrile using four qubits of a trapped-ion quantum computer. We reduce the sampling cost of the quantum simulation by an order of magnitude using compressed sensing techniques. We show how the intrinsic decoherence of NMR systems may enable the zero-field simulation of classically hard molecules on relatively near-term quantum hardware and discuss how the experimentally demonstrated quantum algorithm can be used to efficiently simulate scientifically and technologically relevant solid-state NMR experiments on more mature devices. Our work opens a practical application for quantum computation.

研究动机与目标

• 为了实现对经典计算机因量子关联和粉末平均效应而无法处理的复杂NMR实验的量子模拟。
• 为了展示近期量子硬件在模拟NMR谱以进行分子结构分析方面的实际应用。
• 为了通过压缩感知和高效的量子线路编译，降低模拟经典难解NMR体系的资源消耗。
• 为了证明NMR体系的固有退相干特性可被利用，在相对较小的量子设备上模拟复杂动力学。
• 为了建立一个可扩展的框架，用于在更成熟的量子硬件上模拟固态和液态NMR实验。

提出的方法

• 使用171Yb+离子的离子阱量子计算机进行数字量子模拟，实现模拟NMR动力学的酉演化序列。
• 实现一个量子线路，以模拟乙腈甲基基团在零场条件下的哈密顿量。
• 应用压缩感知技术，将所需量子线路执行次数降低一个数量级。
• 采用最先进的量子线路合成算法，优化门序列以在硬件限制下提升谱分辨率。
• 通过在量子设备上对多个哈密顿量实例进行系综模拟，实现对体系取向的粉末平均。
• 利用NMR体系的固有退相干特性，实现在无需完全保持相干性的前提下模拟复杂动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 数字量子模拟能否实现对经典计算机难以处理的、具有复杂自旋动力学的分子的准确NMR谱计算？
• RQ2 压缩感知在NMR谱量子模拟中的采样成本降低程度如何？
• RQ3 近期量子硬件能否以高谱分辨率模拟小分子的零场NMR实验？
• RQ4 NMR体系的固有退相干特性对在量子设备上模拟经典难解动力学的可行性有何影响？
• RQ5 能否以与单取向模拟相当的资源消耗，实现粉末平均NMR谱的量子模拟？

主要发现

• 乙腈甲基基团的零场NMR谱的量子模拟结果与实验数据在定量上高度一致，共振频率匹配在设备分辨率极限内。
• 模拟谱图中的峰强度顺序与实验NMR谱中观察到的顺序一致，证实了量子模拟的保真度。
• 压缩感知将采样成本降低了整整一个数量级，显著提升了量子NMR模拟的资源效率。
• 尽管存在硬件限制，该模拟仍实现了高分辨率谱图，得益于优化的量子线路合成和对单个量子比特的精确控制。
• 该方法可在资源消耗与单取向模拟相当的前提下，高效模拟粉末平均的固态NMR谱。
• 结果为模拟复杂NMR实验中实现量子优势建立了切实可行的路径，尤其适用于具有强偶极相互作用和相干动力学的体系。