[论文解读] Performance benefits of increased qubit connectivity in quantum annealing 3-dimensional spin glasses

Andrew D. King, William Bernoudy|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文表明，与旧款 D-Wave 2000Q 系统相比，D-Wave Advantage 量子退火处理器在 3D 自旋玻璃问题上的性能显著提升，这得益于其更高的量子比特连通性。通过将每个逻辑自旋的自旋链长度从四物理量子比特减少到两个物理量子比特，Advantage 系统实现了高达 800 倍的求解时间加速，并在不同问题嵌入中表现出更高的稳定性，凸显了缩短自旋链在提升量子退火效率方面的重要作用。

ABSTRACT

An important challenge in superconducting quantum computing is the need to physically couple many devices using quasi-two-dimensional fabrication processes. Recent advances in the design and fabrication of quantum annealing processors have enabled an increase in pairwise connectivity among thousands of qubits. One benefit of this is the ability to minor-embed optimization problems using fewer physical qubits for each logical spin. Here we demonstrate the benefit of this progress in the problem of minimizing the energy of three-dimensional spin glasses. Comparing the previous generation D-Wave 2000Q system to the new Advantage system, we observe improved scaling of solution time and improved consistency over multiple graph embeddings.

研究动机与目标

• 评估量子退火处理器中提升的量子比特连通性对困难优化问题性能的影响。
• 比较 D-Wave 20000Q（Chimera 架构）与 D-Wave Advantage（Pegasus 架构）在求解 3D 自旋玻璃问题上的表现。
• 评估由于连通性提高而带来的自旋链长度缩短对求解时间与不同嵌入间一致性的影响。
• 量化 Advantage 系统在小型嵌入优化问题上相对于 20000Q 的扩展优势与鲁棒性。

提出的方法

• 针对 $L \times L \times L$ 尺寸的 3D 自旋玻璃实例（$L = 5$ 至 $10$），采用开放边界条件与随机耦合项。
• 使用铁磁耦合的物理量子比特链对每个逻辑自旋进行小规模嵌入，2000Q 系统使用 4 量子比特链，Advantage 系统使用 2 量子比特链。
• 采用相同的逻辑耦合强度（$\pm 1$）与链内耦合强度（$-2$），以最大化能量尺度并确保基态一致性。
• 测量不同退火时间下的求解时间（TTS），并针对每个实例选择最优退火时间以最小化 TTS。
• 通过在 48 种立方体同构（八面体对称群 $O_h$）下运行每个问题，评估性能一致性，比较中位数与极端 TTS 值。
• 使用中位数与百分位数误差棒，对比两种处理器在求解时间扩展性与实例间性能表现上的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 Pegasus 架构中提升的量子比特连通性是否导致相较于 Chimera 架构的求解时间扩展性显著改善？
• RQ2 自旋链长度从 4 个量子比特减少到 2 个量子比特，对不同问题嵌入下的性能一致性改善程度如何？
• RQ3 Advantage 系统在 3D 自旋玻璃问题中最难的实例上与 20000Q 相比表现如何？
• RQ4 Advantage 系统中的参数权衡（如较低的能量尺度）是否可通过架构改进（如更短的链）来克服？

主要发现

• 对于 $L=8$ 的自旋玻璃实例，Advantage 系统的求解时间最快可达 2000Q 系统的 800 倍，且有三个 2000Q 实例未能达到基态。
• Advantage 系统的求解时间扩展性显著提升，其中位数 TTS 随系统规模增加的下降速度明显快于 2000Q。
• Advantage 系统的性能一致性显著更优：垂直误差棒（最差与最好同构性能差异）小于水平误差棒（2000Q 与 Advantage 中位数对比），表明嵌入引起的失真更小。
• 对于 $L=6$，Advantage 系统在 48 种同构下的最佳与最差性能比值分布更紧密，证实其鲁棒性更强。
• 在 $L=8$ 的 100 个实例中，2000Q 系统有 3 个未能求解，而 Advantage 系统全部成功求解，表明在困难问题上具有系统性性能优势。
• 尽管 Advantage 系统的能量尺度更低且噪声更高，但将每个逻辑自旋的自旋链长度从四个量子比特减少到两个量子比特，是性能提升的主要驱动力。