[论文解读] Inhomogeneous driving in quantum annealers can result in orders-of-magnitude improvements in performance

Juan I. Adame, Peter L. McMahon|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于时间偏移的非均匀驱动协议，用于量子退火机，通过为各量子比特应用特定的退火偏移，以提升找到基态的概率。通过延迟或提前单个量子比特的驱动时序，该方法在弱强簇问题上实现了高达10⁸×的加速，在一般自旋玻璃问题上实现了高达10³×的加速，相较于均匀驱动，性能提升达数个数量级，效果极为显著。

ABSTRACT

Quantum annealers are special-purpose quantum computers that primarily target solving Ising optimization problems. Theoretical work has predicted that the probability of a quantum annealer ending in a ground state can be dramatically improved if the spin driving terms, which play a crucial role in the functioning of a quantum annealer, have different strengths for different spins; that is, they are inhomogeneous. In this paper we describe a time-shift-based protocol for inhomogeneous driving and demonstrate, using an experimental quantum annealer, the performance of our protocol on a range of hard Ising problems that have been well-studied in the literature. Compared to the homogeneous-driving case, we find that we are able to increase the probability of finding a ground state by up to $10^8 \ imes$ for some Weak-Strong-Cluster problem instances, and by up to $10^3 \ imes$ for more general spin-glass problem instances. In addition to being of practical interest as a heuristic speedup method, inhomogeneous driving may also serve as a useful tool for investigations into the physics of experimental quantum annealers.

研究动机与目标

• 探究非均匀驱动（即各量子比特经历不同的驱动时序）是否能显著提升量子退火机在寻找基态过程中的成功概率。
• 在D-Wave 2000Q量子退火机上，开发并测试一种基于时间偏移的协议，通过退火偏移实现非均匀驱动。
• 在包括弱强簇和自旋玻璃实例在内的多种困难基准问题上，评估该协议的性能表现。
• 探究非均匀驱动是否不仅可作为提升性能的实用加速启发式方法，还可作为探测实验型量子退火机物理机制的工具。

提出的方法

• 该协议利用量子比特特定的退火偏移，通过相对于全局时间轴延迟或提前单个量子比特的驱动时序，实现非均匀驱动。
• 每个量子比特的有效场通过对其所有邻近自旋构型的均匀平均计算得出，从而实现对局部驱动强度的系统性调节。
• 该方法在D-Wave 2000Q系统上通过调整每个量子比特的控制信号时序实现，使非均匀驱动得以实验实现。
• 每个实例的性能通过最多10⁷次退火运行进行测量，基态通过ASC问题的精确解或HFS求解器识别。
• 统计分析根据数据分布和问题类别，采用标准差、百分位数或置信区间计算误差条。
• 该协议在多个问题类别上进行了测试：交替扇区链（ASC）、弱强簇（WSC）和均匀范围k-无序（URkD），并与基线均匀驱动的性能进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 与均匀驱动相比，通过量子比特特定的退火偏移实现的非均匀驱动是否能显著提高在量子退火问题中找到基态的概率？
• RQ2 对于弱强簇和交替扇区链等结构化问题类别，性能提升如何随问题规模增长？
• RQ3 所观察到的加速是否依赖于自旋耦合和场的具体配置，且能否推广至多样化的实例？
• RQ4 该非均匀驱动协议是否可作为探测实验型量子退火机物理机制的有用控制参数？
• RQ5 该性能增益在包括结构化和无序自旋玻璃在内的不同问题类别中是否具有鲁棒性？

主要发现

• 在弱强簇问题实例中，非均匀驱动协议相较于均匀驱动，成功概率最高提升了10⁸×。
• 在更一般的均匀范围k-无序问题中，该协议在总体上提升了74%的实例性能，且在最困难的10%实例中提升了85%，加速比最高达10³×。
• 在WSC和ASC问题的某些参数区域，加速比随问题规模N呈指数增长，表明在更大系统上可能实现更大的性能提升。
• 在最困难的10% WSC实例中，该协议实现了100%的成功概率提升，表明其在最具挑战性问题上的鲁棒性。
• 成功概率的增益在具有强局部相关性和结构化自旋玻璃特征的问题中最为显著，凸显了该方法在复杂能量景观中的有效性。
• 结果表明，非均匀驱动不仅是提升量子退火机性能的实用启发式方法，也是研究量子退火设备底层物理机制的有前景工具。