[论文解读] Ultrafast State Preparation via the Quantum Approximate Optimization Algorithm with Long Range Interactions

Wen Wei Ho, Cheryne Jonay+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 8

一句话总结

本文提出在含长程相互作用（LRIs）的近期待机量子装置中使用变分量子-经典模拟（VQCS）协议，以实现超快的量子态制备。结果表明，仅通过一次迭代即可实现超过99%保真度地制备GHZ态及长程横向场伊辛模型的临界点，利用LRIs显著降低电路深度与操作数。

ABSTRACT

State preparation protocols ideally require as minimal operations as possible, in order to be implemented in near-term, potentially noisy quantum devices. Motivated by long range interactions (LRIs) intrinsic to many present-day experimental platforms (trapped ions, Rydberg atom arrays, etc.), we investigate the efficacy of variationally simulating non-trivial quantum states using the Variational Quantum-Classical Simulation (VQCS) protocol explored recently in [SciPost Phys. 6, 029 (2019)], in the presence of LRIs. We show that this approach leads to extremely efficient state preparation: for example, Greene-Horne-Zeilinger (GHZ) states can be prepared with O(1) iterations of the protocol, and a quantum critical point of the long range transverse field Ising model (TFIM) can be prepared with > 99% fidelity on a 100 qubit system with only one iteration. Furthermore, we show that VQCS with LRIs is a promising route for exploring generic points in the phase diagram of the long-range TFIM. Our approach thus provides concrete, ultrafast protocols for quantum simulators equipped with long range interactions.

研究动机与目标

• 开发适用于近期量子装置、门操作数最少的高效态制备协议。
• 研究长程相互作用（LRIs）对变分量子模拟效率的影响。
• 实现对非平凡量子态（如GHZ态和量子临界点）的快速且高保真度制备。
• 利用含LRIs的VQCS探索长程横向场伊辛模型相图中的通用点。
• 为具有本征长程相互作用的量子模拟器提供实用的超快协议。

提出的方法

• 在量子电路设计中引入长程相互作用（LRIs）以适配VQCS协议。
• 利用变分优化最小化目标哈密顿量的期望能量值。
• 借助LRIs增强纠缠并减少所需变分迭代次数。
• 采用可调长程耦合的参数化量子线路以制备目标态。
• 通过经典优化变分参数，使系统收敛至高保真度的基态或临界态。
• 在最多100个量子比特的长程横向场伊辛模型（TFIM）上验证性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 含长程相互作用的VQCS能否在极低电路深度下实现超快态制备？
• RQ2 LRIs的引入如何影响变分态制备的保真度与收敛速度？
• RQ3 含LRIs的VQCS能否在单次迭代内以高保真度制备长程TFIM的量子临界点？
• RQ4 含LRIs的VQCS在多大程度上可探索长程TFIM相图中的通用点？
• RQ5 含LRIs的VQCS是否是一种适用于近期量子模拟器的可扩展且实用的方法？

主要发现

• 在长程相互作用下，使用VQCS制备GHZ态仅需O(1)次迭代，表明其具有极高的效率。
• 在100量子比特系统中，仅通过一次迭代即可实现对长程横向场伊辛模型量子临界点超过99%的保真度制备。
• 长程相互作用的存在显著提升了变分态制备的收敛速度与保真度。
• VQCS结合LRIs可实现对长程TFIM相图中通用点的探索，即使电路深度极低亦可实现。
• 该方法在具有本征长程相互作用的近期量子设备中展现出可扩展性与鲁棒性。
• 该协议在无需深电路的情况下实现高保真度态制备，适用于含噪声中等规模量子（NISQ）硬件。