[论文解读] Scaled Quantum Circuits Emulated with Room Temperature p-Bits

Kerem Y. Çamsarı, Shuvro Chowdhury+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 7

一句话总结

本文提出一种室温下运行的经典 p-bit 协处理器，通过 Suzuki-Trotter 分解模拟量子蒙特卡洛（QMC）算法，加速了对无符号问题的量子多体系统的模拟。利用基于 MTJ 的 p-bit 和 SPICE 仿真，该系统在现有技术条件下实现了相对于 CPU 实现的数个数量级速度提升，同时准确再现了量子关联。

ABSTRACT

The growing field of quantum computing is based on the concept of a q-bit which is a delicate superposition of 0 and 1, requiring cryogenic temperatures for its physical realization along with challenging coherent coupling techniques for entangling them. By contrast, a probabilistic bit or a p-bit is a robust classical entity that fluctuates between 0 and 1, and can be implemented at room temperature using present-day technology. Here, we show that a probabilistic coprocessor built out of room temperature p-bits can be used to accelerate simulations of a special class of quantum many-body systems that are sign-problem$-$free or stoquastic, leveraging the well-known Suzuki-Trotter decomposition that maps a $d$-dimensional quantum many body Hamiltonian to a $d$+1-dimensional classical Hamiltonian. This mapping allows an efficient emulation of a quantum system by classical computers and is commonly used in software to perform Quantum Monte Carlo (QMC) algorithms. By contrast, we show that a compact, embedded MTJ-based coprocessor can serve as a highly efficient hardware-accelerator for such QMC algorithms providing several orders of magnitude improvement in speed compared to optimized CPU implementations. Using realistic device-level SPICE simulations we demonstrate that the correct quantum correlations can be obtained using a classical p-circuit built with existing technology and operating at room temperature. The proposed coprocessor can serve as a tool to study stoquastic quantum many-body systems, overcoming challenges associated with physical quantum annealers.

研究动机与目标

• 为克服低温量子硬件的局限性，通过经典、室温 p-bit 实现对无符号问题量子多体系统的高效模拟。
• 通过设计硬件加速协处理器，解决量子蒙特卡洛（QMC）模拟中的计算瓶颈。
• 证明经典 p-bit 电路可利用现有技术在无符号问题系统中模拟量子关联。
• 为研究量子多体系统提供一种可扩展、鲁棒的物理量子退火器替代方案。

提出的方法

• 利用 Suzuki-Trotter 分解将 d 维量子哈密顿量映射为 (d+1) 维经典伊辛型哈密顿量。
• 设计一种基于磁隧道结（MTJs）的室温运行、在 0 和 1 之间概率性跳变的经典 p-bit 协处理器。
• 将 p-bit 电路实现为 QMC 算法的硬件加速器，以确定性、并行的 p-bit 动力学替代 CPU 上的随机采样。
• 通过器件级 SPICE 仿真验证 p 电路在无符号问题系统中正确再现量子关联。
• 在 p-bit 网络中采用概率性自旋玻璃样动力学，模拟 QMC 中的热化与采样过程。
• 将 p-bit 协处理器作为嵌入式加速器，将采样操作从通用 CPU 中卸载。

实验结果

研究问题

• RQ1 经典室温 p-bit 电路能否以高保真度模拟无符号问题量子多体系统的动力学？
• RQ2 与优化后的 CPU 基 QMC 实现相比，p-bit 协处理器在速度和准确性方面表现如何？
• RQ3 SPICE 仿真中的 p-bit 器件在多大程度上能再现 QMC 模拟中正确的量子关联？
• RQ4 p-bit 协处理器能否克服物理量子退火器在模拟无符号问题系统时的局限性？
• RQ5 此类经典 p-bit 架构在大规模量子模拟中具备怎样的可扩展性与鲁棒性？

主要发现

• 在模拟工作负载中，p-bit 协处理器相比优化后的 CPU 基 QMC 实现实现了数个数量级的速度提升。
• SPICE 仿真证实，仅使用室温下的现有器件技术，p 电路即可正确再现无符号问题系统中的量子关联。
• Suzuki-Trotter 分解实现了从量子到经典统计力学的高效映射，使经典硬件上的模拟成为可能。
• 采用基于 MTJ 的 p-bit 使得系统在室温下具备鲁棒性、可扩展性和高能效，无需低温环境。
• 该系统表明，经典概率性电路可作为量子模拟任务的有效硬件加速器。
• 该方法为研究无符号问题量子系统提供了一种切实可行的物理量子退火器替代方案。