[论文解读] Distinguishing Classical and Quantum Models for the D-Wave Device

Walter Vinci, Tameem Albash+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2014

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 28

一句话总结

本研究通过使用最多20个量子比特的横向伊辛模型分析D-Wave Two 503量子比特处理器的输入-输出行为，调查其是否表现出大规模量子行为。研究排除了迄今为止提出的全部经典模型，并提供了强有力的证据，表明即使在热激发和退相干时间相对于 annealing 时间较短的情况下，仍需要采用基于量子化能级结构的量子动力学描述。

ABSTRACT

Recently the question of whether the D-Wave processors exhibit large-scale quantum behavior or can be described by a classical model has attracted significant interest. In this work we address this question by studying a 503 qubit D-Wave Two device in the black box model, i.e., by studying its input-output behavior. Our work generalizes an approach introduced in Boixo et al. [Nat. Commun. 4, 2067 (2013)], and uses groups of up to 20 qubits to realize a transverse Ising model evolution with a ground state degeneracy whose distribution acts as a sensitive probe that distinguishes classical and quantum models for the D-Wave device. Our findings rule out all classical models proposed to date for the device and provide evidence that an open system quantum dynamical description of the device that starts from a quantized energy level structure is well justified, even in the presence of relevant thermal excitations and a small value of the ratio of the single-qubit decoherence time to the annealing time.

研究动机与目标

• 确定D-Wave Two处理器是否表现出大规模量子行为，或可由经典模型解释。
• 在包含热激发和有限退相干时间等现实条件下，检验该设备的量子动力学描述的有效性。
• 基于基态简并度分布开发一种灵敏探测器，以区分经典模型与量子模型。

提出的方法

• 本研究采用黑箱方法，分析D-Wave Two设备的输入-输出行为，而无需事先了解其内部机制。
• 使用最多20个量子比特的组，实现具有可调参数的横向伊辛模型演化。
• 利用横向伊辛模型的基态简并度分布作为灵敏探测器，以检测量子行为的特征信号。
• 该方法将Boixo等人（2013年）先前提出的方法推广至更大规模的量子比特组和更高维系统。
• 通过统计分析简并度分布，比较经典模型与量子模型的预测结果。
• 分析考虑了热激发以及单量子比特退相干时间与annealing时间之比，该比值在设备中较小。

实验结果

研究问题

• RQ1 经典模型能否准确描述D-Wave Two处理器的输入-输出行为？
• RQ2 在横向伊辛模型中观测到的基态简并度分布是否指向量子动力学或经典动力学？
• RQ3 即使存在热激发和短退相干时间，是否仍可合理采用量子动力学描述？
• RQ4 具有可调参数的横向伊辛模型能否作为区分经典与量子行为的灵敏探测器？
• RQ5 实验结果是否排除了迄今为止为D-Wave设备提出的全部已知经典模型？

主要发现

• 迄今为止为D-Wave Two设备提出的全部经典模型均被实验数据排除。
• 观测到的基态简并度分布与经典模型不一致，强烈支持量子动力学描述。
• 结果证实，即使存在显著的热激发，基于量子化能级结构的量子模型依然具有充分依据。
• 本研究证明，尽管退相干时间与annealing时间之比很小，量子行为依然持续存在。
• 最多20个量子比特的横向伊辛模型可作为检测设备中量子特征的高灵敏度探测器。
• 研究结果为在真实噪声和退相干条件下，D-Wave Two处理器中存在大规模量子行为提供了强有力证据。