インサイダーブリーフ
- 新しい研究では、Quantinuumの56 Qubit H2量子コンピューターが古典的な方法に挑戦する磁気挙動をシミュレートでき、材料科学の量子優位性に向けて実際的な進歩を示すことができることを示しています。
- 研究者は、2次元スピンシステムでフロケの前症をシミュレートし、平衡状態のようなダイナミクスをキャプチャし、2,000を超える2キットゲートを使用してリアルタイム量子データから拡散定数を抽出しました。
- 最先端の方法での古典的なベンチマークは、同等のスケールとタイムスケールで量子結果を再現できなかったため、デジタル量子シミュレーションが従来の技術にはアクセスできないレジームに入ることを示唆しています。
新しい研究では、デジタル量子コンピューターが、材料科学の実用的な量子優位性への道を開き、最良の古典的な方法に挑戦するスケールとタイムスケールで磁気挙動をシミュレートできることを示しています。
で プリプリントサーバーArxivに投稿された論文、研究者 Quantine コラボレーション機関は、56 quit H2量子コンピューターがフロケの事前皮膚化として知られる形式の磁気をシミュレートできると報告しました。結果は、科学的に意味のあるコンテキストでの古典的なシミュレーションを上回るデジタル量子ハードウェアの最も明確なデモンストレーションの1つを示しています。
チームは、H2マシンを使用して、横方向フィールドISINGモデルとして知られる構成で、磁気原子の代役である量子スピンのグリッドをモデル化しました。このシステムは、概念的には単純ですが、クラシックコンピューターが時間の経過とともに進化するとき、特に2つの次元でシミュレートするには、すぐに複雑すぎます。研究者たちは、従来の方法が確実に到達できない時間とサイズのスケールで、デジタル量子シミュレーションが安定しており、物理的に意味のあるままであることを発見しました。
「達成可能なデジタル化エラーの対象となるダイナミクスの安定性を確認することに加えて、ダイナミクスの緊急流体力学的記述に関連する拡散定数を計算することにより、局所平衡の直接的な証拠を示します」と著者はARXIVのプリプリントで書き込み、「この作業は、継続的なダイナムシステムを研究するための強力なツールとしてデジタル量子コンピューターを確立します」と付け加えます。
磁気ダイナミクスのキャプチャ
この研究の主な成果は、デジタル化エラーのために通常ランダム性に熱くなる量子磁気システムのダイナミクスをキャプチャすることです。代わりに、適切な条件下では、システムは長寿命の安定した状態に落ち着きました。これは、Floquet Prethermalizationとして知られる現象です。
Floquet Prethermalizationは、定期的に駆動される量子システムにおける平衡挙動の一時的な出現を説明しています。避けられない暖房が障害に向かってシステムを駆動する前に発生します。それを想像する1つの方法：これは、テーブルの上のコインを回転させるようなものです。しばらくの間、安定してバランスが取れているように見えますが、最終的にはぐらつき、落ちます。 Floquetの事前皮質化とは、カオスが始まる前に、そのつかの間の秩序の瞬間です。
研究者は、デジタル量子プロセッサを使用して、このスケールではこれまでに達成されていなかった2,000を超える2キットのゲートを含む回路の深さでこの現象をシミュレートしました。
彼らはさらに、熱輸送係数、具体的には拡散定数を抽出することにより、彼らの発見をさらに検証しました – シミュレートされたシステムが、複雑なシステムにおける平衡様挙動の特徴である流体力学の法則に従うことを実証しました。
長年の目標
制御されていない近似のない量子材料のリアルタイムダイナミクスをシミュレートする能力は、量子コンピューティングの長年の目標の1つです。 Quantum Advantageの以前のデモンストレーションは合成、計算的にハードなタスクに焦点を当てていましたが、この研究では、凝縮物質物理学に直接関連するモデルをターゲットにしています。
研究者は次のように書いています。「現実的な量子システムをシミュレートするための短期量子コンピューターの有用性は、デジタル量子物質の安定性にかかっています。個別の量子ゲートが連続時間の進化を近似している場合、および古典的なシミュレーションにアクセスできないシステムサイズと時間スケールで維持できるかどうか」
これにより、量子コンピューターが強く相関したシステム、量子熱化、または緊急輸送の研究にすぐに役立つ可能性が高くなります。これは、高温の超伝導性、量子スピン液、およびその他のエキゾチックな物質を理解するための中心です。
彼らはどのようにそれをしましたか？
シミュレーションには、2次トロッター分解を使用して連続時間の進化を近似するために、周期境界のある7×8の長方形格子の横視野測量モデルを進化させることが含まれます。それをもう少し単純に分解するために、これはループされた7×8パターンに配置された56の量子スピンのグリッドであり、研究者は、個別の量子ステップで連続時間挙動を模倣するために2次トロッター分解と呼ばれる技術に依存していました。各タイムステップで使用される回路には、ネイティブの2キットゲート（RZZ回転）と単一のキット回転が含まれ、20時間ステップで数千のゲートに蓄積しました。
シミュレーションの物理的安定性を評価するために、研究者はスピン相関を測定し、時間の経過とともに崩壊を追跡しました。彼らは、トロッターステップが大きすぎると、システムが些細な無限状態状態にすぐに加熱されることを観察しました。ただし、より小さなステップでは、事前延期された状態が現れ、多くのステップで秩序ある磁気ドメインを保持しました。
結果をさらにテストするために、彼らは不均一な初期状態を導入し、時間の経過とともにリラックスする局所的なエネルギー勾配を見ていました。特定の空間モードの減衰から、熱輸送への期待に沿って、約0.38の拡散定数を抽出しました。
クラシックベンチマーク
チームは、マトリックス産物状態（MPS）、予測された絡み合ったペア状態（PEP）、スパースパウリダイナミクス、ニューラルネットワーク量子状態などの高度な古典的な方法を使用して、広範な比較を実行しました。各メソッドは、メモリ制限、不十分な収束、または制御不能な切り捨てエラーのいずれかのために、ほんの数回の時間ステップの後、完全な7×8システムに苦労しました。
彼らは次のように書いています。「しかし、小規模システムを除いて、または短い時間を除いて、これらの方法の精度を評価することは困難であり、信頼できる時期は明確ではありません。ここでは、実用的な量の計算リソースを使用した古典的な方法との比較に焦点を当てていますが、この作業で実行された量子シミュレーションは、時点で信頼できます。
MPSメソッドは低エントロピー状態ではうまく機能しましたが、爆発のエンタングルメントのために中程度の温度で壊れました。 PEPSメソッドは約束を示しましたが、GPUメモリによって制限されていました。ニューラルネットワークのアプローチは、大きな格子の初期を超えて正確な結果を生み出すことができませんでした。
著者らは、ゼロノイズ外挿（ZNE）技術を適用して、量子データからハードウェアノイズを削除し、より単純な場合の古典的な方法と比較することでアプローチを検証しました。
制限と将来の仕事
研究者は、完全な量子優位性を宣言しないことに注意しており、将来の古典的ヒューリスティックが結果に挑戦または検証できる可能性があることに注目しています。彼らは、彼らの発見が量子および古典的なアプローチの補完的な強さを反映していることを強調しています。
それでも、この研究では、デジタル量子コンピューターが、特にエラー軽減戦略と慎重なアルゴリズム設計と組み合わせると、古典的なシミュレーションに抵抗する複雑な物理的挙動をモデル化できるしきい値に達していることを示唆しています。
楽しみにして、チームは、凝縮物質や高エネルギー物理学に関心のある他のモデルに同様の技術を適用し、現実的な物理的条件下でクラシックアルゴリズムをストレステストする量子ベンチマークを開発したいと考えています。
この研究は、合成ベンチマークから科学的に意味のあるシミュレーションへのシフトを示しています。制御された前皮の挙動を実証し、プログラム可能な量子コンピューターから流体力学的特性を抽出することにより、この研究は量子ハードウェアの成熟度の増加を示しています。
「古典的なヒューリスティックの将来の能力を予測することはできませんが、多数の近似方法の制限を慎重に分析することは、H2によって提供される量子データがそのようなヒューリスティックを補完するものと見なされるべきであり、間違いなく比較されるべき最も説得力のある基準であることを示しています」と研究者は書いています。
この作業は公式にピアレビューされていません。科学者は、同僚からより速いフィードバックを受け取るために、ARXIVなどのプリプリントサーバーに研究を追加します。ただし、ピアレビューは科学的プロセスの重要な部分のままです。
この調査には、世界中の複数の機関からの貢献者が関与していました。これらには、コロラド州ブルームフィールドにオフィスがあるQuantinuumが含まれます。ドイツ、ミュンヘン。英国ケンブリッジ;英国のロンドン。アカデミックコラボレーターは、ミュンヘン工科大学とドイツのミュンヘンの量子科学技術センターから来ました。カリフォルニア工科大学は、化学および化学工学部門、工学および応用科学部門、およびカリフォルニア州パサデナにある量子情報と物質研究所を含む。スイスのエコール・ポリテクニック・フェデラレ・ド・ローザンヌ。テキサス大学オースティン校。業界への参加には、オランダのアムステルダムに拠点を置くFermioniqや、米国のArgonne National LaboratoryやOak Ridge National Laboratoryなどの国立研究所も含まれていました。
