[论文解读] Quantum critical dynamics in a 5000-qubit programmable spin glass

Andrew King, Jack Raymond+25 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2022

Theoretical and Computational Physics被引用 10

一句话总结

本研究利用D-Wave Advantage量子退火机，在一个5000量子比特可编程超导自旋玻璃中展示了量子临界动力学。它在小系统中展示了量子退火与薛定谔方程时间演化之间的定量一致性，并提取了可区分量子退火与经典蒙特卡罗方法的临界指数，为能量随时间减少的尺度优势提供了实验和理论证据。

ABSTRACT

Experiments on disordered alloys suggest that spin glasses can be brought into low-energy states faster by annealing quantum fluctuations than by conventional thermal annealing. Due to the importance of spin glasses as a paradigmatic computational testbed, reproducing this phenomenon in a programmable system has remained a central challenge in quantum optimization. Here we achieve this goal by realizing quantum critical spin-glass dynamics on thousands of qubits with a superconducting quantum annealer. We first demonstrate quantitative agreement between quantum annealing and time-evolution of the Schrödinger equation in small spin glasses. We then measure dynamics in 3D spin glasses on thousands of qubits, where simulation of many-body quantum dynamics is intractable. We extract critical exponents that clearly distinguish quantum annealing from the slower stochastic dynamics of analogous Monte Carlo algorithms, providing both theoretical and experimental support for a scaling advantage in reducing energy as a function of annealing time.

研究动机与目标

• 在大规模可编程自旋玻璃系统中实验演示量子临界动力学。
• 在小自旋玻璃系统中，将量子退火与薛定谔方程的时间演化进行验证。
• 在含数千个量子比特的三维自旋玻璃中测量并提取临界指数，此时经典模拟不可行。
• 从剩余能量衰减和尺度行为的角度，将量子退火性能与经典模拟退火（SA）和基于路径积分蒙特卡罗的模拟量子退火（SQA）进行比较。
• 为优化复杂自旋玻璃系统时量子优势的存在提供实验和理论证据。

提出的方法

• 本研究使用D-Wave Advantage量子退火机，在超导通量量子比特的可编程晶格上实现横向场伊辛模型。
• 系统初始化为量子顺磁态，并通过调节时间依赖的退火时序，使横向场Γ(s)和伊辛耦合J(s)随时间演化。
• 通过测量剩余能量和序参量随退火时间的变化来探测量子动力学，临界指数通过动力学标度分析提取。
• 实验结果与经典蒙特卡罗方法进行基准测试，包括模拟退火（SA）和基于路径积分蒙特卡罗的模拟量子退火（SQA）。
• 采用校准优化技术，包括退火偏移和磁通偏移补偿，以实现耦合器的均匀阻挫和量子比特磁化的平衡，从而提高临界指数估计的数据质量。
• 自旋玻璃的嵌入采用铁磁二聚体以减小逻辑问题规模，从而实现嵌入模型与简化逻辑模型之间的比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大规模可编程自旋玻璃系统中，量子退火能否再现量子相变的临界动力学？
• RQ2 从量子退火中提取的临界指数与经典蒙特卡罗模拟中的结果相比如何？
• RQ3 在存在量子临界性的条件下，量子退火在能量减少速度上是否快于经典模拟退火和模拟量子退火？
• RQ4 校准优化在多大程度上提升了大规模量子退火实验中临界指数估计的准确性？
• RQ5 在自旋玻璃系统中减少剩余能量方面，量子退火相较于经典方法是否表现出可测量的尺度优势？

主要发现

• 在小自旋玻璃系统中，量子退火与时间演化薛定谔动力学表现出定量一致性，验证了处理器的量子模拟能力。
• 从5000量子比特的三维自旋玻璃中提取的临界指数明确区分了量子退火与经典随机动力学，表明其弛豫机制存在根本性差异。
• 量子退火在剩余能量衰减方面显著快于模拟退火（SA）和模拟量子退火（SQA），在相干量子区域中观察到尺度优势。
• 校准优化，包括退火偏移和磁通偏移补偿，对于实现均匀阻挫和平衡的量子比特磁化至关重要，从而实现了可靠的临界指数估计。
• 即使存在不直接影响经典方法的嵌入开销，量子退火在绝对剩余能量和尺度行为方面仍优于模拟退火。
• 本研究为通过量子临界动力学优化复杂自旋玻璃问题时存在量子优势提供了实验和理论支持。