[论文解读] How "Quantum" is the D-Wave Machine?

Seung Woo Shin, Graeme Smith+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2014

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 27被引用 86

一句话总结

本文提出了一种类经典自旋模型，能够以高精度复现D-Wave One 108量子比特量子退火机的输入输出行为。通过将量子比特建模为具有近邻相互作用和横向场的类经典自旋，并使用梅特罗波利斯算法进行模拟，该模型在无需引入量子效应的情况下，成功解释了观测到的双模成功分布，从而对设备中存在大规模量子行为的主张提出质疑。

ABSTRACT

Recently there has been intense interest in claims about the performance of the D-Wave machine. In this paper, we outline a simple classical model, and show that it achieves excellent correlation with published input-output behavior of the D-Wave One machine on 108 qubits. While raising questions about "how quantum" the D-Wave machine is, the new model also provides additional algorithmic insights into the nature of the native computational problem solved by the D-Wave machine.

研究动机与目标

• 测试D-Wave One机器是否表现出大规模量子行为，特别是量子纠缠和量子相干性。
• 研究D-Wave机器观测到的输入输出行为是否可由经典模型解释。
• 理解D-Wave机器实际求解的有效计算问题及其可扩展性限制。
• 评估D-Wave机器在基准实例上的成功是否源于量子隧穿效应或经典动力学。
• 探讨Chimera图的簇结构在降低伊辛自旋玻璃问题的有效问题规模中的作用。

提出的方法

• 将每个量子比特建模为具有伊辛型相互作用的经典自旋，其耦合强度直接来自D-Wave公布的参数。
• 应用梅特罗波利斯算法模拟有限温度动力学，每一步引入随机自旋翻转。
• 使用时间依赖的哈密顿量，引入横向场以模拟D-Wave的退火时序，逐步降低横向场强度。
• 在由16个簇（每簇8个量子比特）组成的Chimera图上模拟退火过程，以分析簇级行为。
• 分析模拟过程中达到的不同局部极小值数量，以评估算法复杂度和有效问题规模。
• 将模型的输出分布（双模）与经典模拟退火（单模）进行比较，以解释D-Wave机器的成功模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 类经典模型能否在108量子比特上复现D-Wave One机器的输入输出行为？
• RQ2 D-Wave机器所表现出的行为是否源于量子隧穿效应，还是经典热力学动力学？
• RQ3 Chimera图的簇结构在多大程度上降低了伊辛自旋玻璃问题的有效问题规模？
• RQ4 为何D-Wave机器产生双模成功直方图，而类经典模型如何复现这一现象？
• RQ5 与经典模拟退火相比，横向场在改变动力学行为方面起到何种作用？

主要发现

• 该经典模型与D-Wave One公布的输入输出行为表现出极高的相关性，表明其结果可能无需依赖量子效应即可解释。
• 由于存在横向场和二维矢量动力学，该模型产生双模成功分布，与D-Wave机器的行为一致，而这种双模行为在经典模拟退火中被抑制。
• 在t=0.31时，模型平均仅达到约20个不同的局部极小值，尽管状态空间大小为2^108，表明有效搜索空间被显著压缩。
• 由于Chimera图的16簇结构，108自旋问题实际上被简化为16自旋问题，每个簇作为具有强内部耦合的超节点。
• 退火过程中的分支点对应于大簇之间相对取向的选择，错误选择在最终贪婪阶段无法纠正。
• 该模型预测，当簇数超过16时，成功率会急剧下降，与512量子比特D-Wave II机器的实验观测结果一致。