[论文解读] Gap-independent cooling and hybrid quantum-classical annealing

Lukas Theis, Peter Schuhmacher+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2018

Quantum and electron transport phenomena参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于量子退火中超导通量任意子的无能隙依赖冷却方案，通过将其横向耦合至平面波导（CPW），增强了退相干并抑制了非绝热误差。该方法在绝热区域实现最高50%的性能提升，在非绝热区域实现数百个百分点的提升，实现了无需预先知晓能隙信息的鲁棒性能。

ABSTRACT

In this letter we present an efficient gap-independent cooling scheme for a quantum annealer that benefits from finite temperatures. We choose a system based on superconducting flux qubits as a prominent example of current quantum annealing platforms. We propose coupling the qubit system transversely to a coplanar waveguide to counter noise and heating that arise from always-present longitudinal thermal noise. We provide a schematic circuit layout for the system and show how, for feasible coupling strengths, we achieve global performance enhancements. Specifically, we achieve cooling improvements of about $50\%$ in the adiabatic and a few hundred percent in the non-adiabatic regime, respectively.

研究动机与目标

• 开发一种不依赖于能隙Δ知识的量子退火冷却机制。
• 缓解因量子退火中扫掠时间有限而导致的非绝热误差。
• 通过有限温度退相干改善避免交叉能级后的基态布居数。
• 证明横向耦合至CPW可实现与Δ无关的有效冷却。
• 建立利用热退相干的混合量子-经典退火（HQCA）框架。

提出的方法

• 系统采用超导通量任意子通过平面波导（CPW）横向耦合至欧姆热浴，从而可调控横向耦合强度αx。
• 动力学通过含时驱动ε(t) = vt的耗散Landau-Zener自旋-玻色哈密顿量建模，其中v为扫掠速度。
• 采用主方程方法描述开放量子系统，同时包含纵向（σz）和横向（σx）对热浴的耦合。
• 通过横向耦合增强退相干率γr，促进避免交叉后系统返回基态。
• 数值模拟求解量子主方程，计算最终基态布居数pG随αx和αz的变化。
• 通过与Landau-Zener公式比较及在高耗散下分析向经典动力学的过渡，验证该方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种在量子退火中不依赖于能隙Δ的冷却机制？
• RQ2 在热噪声存在下，CPW的横向耦合如何影响退相干与基态布居数？
• RQ3 该方案在绝热与非绝热区域的性能增益如何？
• RQ4 系统是否表现出热辅助退相干，从而提升最终态保真度？
• RQ5 该方法能否推广至当前的量子退火平台，且无需知晓能隙信息？

主要发现

• 在kBT = 5Δ且v = 0.5Δ²的绝热区域，该方案使基态布居数提升约50%。
• 在非绝热区域，由于横向耦合增强的退相干，性能提升可达数百个百分点。
• 当αx ≳ 5×10⁻³时，无论纵向耦合强度αz如何，几乎全部布居数均能返回基态。
• pG(αz)的最小值随温度变化，非单调行为可由高耗散下向经典动力学的过渡解释。
• 冷却效应完全源于增强的退相干，而非类似量子Zeno效应的抑制作用，经附录B的数值分析确认。
• 该方法对能隙波动具有内在鲁棒性，适用于真实世界中的量子退火器件。