[论文解读] Experimental Demonstrations of Native Implementation of Boolean Logic Hamiltonian in a Superconducting Quantum Annealer

Daisuke Saida, Yuki Yamanashi+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 21被引用 5

一句话总结

该论文在无需冗余量子比特的情况下，首次在超导量子退火处理器上原生实现了布尔逻辑哈密顿量——具体包括NAND、NOR以及一个6量子比特乘法器。该方法可高效、可扩展地求解电路可满足性问题，包括通过乘法器哈密顿量实现因数分解，实验结果已在真实设备上得到验证。

ABSTRACT

Experimental demonstrations of quantum annealing with native implementation of Boolean logic Hamiltonians are reported. As a superconducting integrated circuit, a problem Hamiltonian whose set of ground states is consistent with a given truth table is implemented for quantum annealing with no redundant qubits. As examples of the truth table, NAND and NOR are successfully fabricated as an identical circuit. Similarly, a native implementation of a multiplier comprising six superconducting flux qubits is also demonstrated. These native implementations of Hamiltonians consistent with Boolean logic provide an efficient and scalable way of applying annealing computation to so-called circuit satisfiability problems that aim to find a set of inputs consistent with a given output over any Boolean logic functions, especially those like factorization through a multiplier Hamiltonian. A proof-of-concept demonstration of a hybrid computing architecture for domain-specific quantum computing is described.

研究动机与目标

• 在超导量子退火处理器中实现布尔逻辑函数的原生、直接哈密顿量编码。
• 消除编码逻辑函数时对辅助或冗余量子比特的需求，提升可扩展性与资源效率。
• 通过乘法器哈密顿量展示该方法在复杂问题（如因数分解）中的实际应用潜力。
• 通过原生逻辑编码验证混合量子-经典架构在专用量子计算中的可行性。
• 为使用最小开销的量子退火求解电路可满足性问题提供概念验证。

提出的方法

• 设计问题哈密顿量，使其基态精确匹配目标布尔函数（如NAND、NOR）的真值表。
• 利用可调耦合器和精确控制量子比特与耦合参数，在超导通量量子比特处理器上直接实现这些哈密顿量。
• 将布尔逻辑函数映射为无辅助量子比特的伊辛哈密顿量，确保最小的量子比特开销。
• 使用量子退火制备所构建哈密顿量的基态，对应于有效的输入-输出组合。
• 通过测量输出态并确认其与预期真值表的一致性，验证结果正确性。
• 将该方法扩展至6量子比特乘法器哈密顿量，以证明其在更大规模、实际逻辑电路中的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不使用冗余量子比特的情况下，将布尔逻辑函数原生编码为超导量子退火处理器中的哈密顿量？
• RQ2 量子退火在制备复杂逻辑函数（如NAND和NOR）对应哈密顿量基态时，其精度如何？
• RQ3 能否在真实量子退火设备上成功实现并验证乘法器哈密顿量？
• RQ4 在电路可满足性问题背景下，原生逻辑编码的可扩展性与保真度如何？
• RQ5 与传统嵌入方法相比，原生实现方式在量子比特效率与性能方面表现如何？

主要发现

• NAND与NOR逻辑函数已在同一超导量子退火芯片上成功实现并验证，展示了不同逻辑函数采用相同电路设计的可行性。
• 6量子比特乘法器哈密顿量已通过实验实现并验证，表明其在更大规模逻辑计算中的可行性。
• 所构建哈密顿量的基态与预期真值表输出高度一致，证实了逻辑编码的正确性。
• 该方法实现了无任何辅助或冗余量子比特的原生实现，显著提升了量子比特效率。
• 实验结果支持使用原生逻辑哈密顿量求解专用量子计算中的电路可满足性问题。
• 所展示的混合架构为将原生逻辑哈密顿量集成到实际量子工作负载（如通过乘法器电路实现因数分解）提供了概念验证。