集体隧穿在量子退火器中的计算作用

量子隧穿是一种量子态穿越高于其自身能量势垒的现象。隧穿已被假设为一种有利于优化的物理资源。在此，我们提供了多量子比特量子隧穿在可编程量子退火器演化中具有计算作用的首个实验证据。我们开发了一个基于 NIBA 量子主方程的理论模型，以描述此类量子器件在复杂噪声特性下的多量子比特耗散隧穿效应。我们首先考虑一个计算原语，即一个仅包含一个全局最小值和一个虚假最小值的优化问题。量子演化使得能够隧穿至全局最小值，而相应的经典路径则被困在虚假最小值中。在我们的研究中，非凸势由具有强簇内耦合的受挫量子比特簇网络实现。我们表明，在演化过程中量子隧穿“决定”正确求解路径的“临界”阶段，量子环境的集体效应被抑制。在后续阶段，耗散促进了导致解态的多量子比特隧穿。该模型的预测准确描述了 NASA Ames 的 D-Wave Two 量子退火器的实验数据。在我们的计算原语中，量子模型中成功概率的温度依赖性与具有热跳跃的经典路径相反。具体而言，我们分析了一个包含 16 个量子比特的优化问题，展示了增加成功概率的 8 量子比特隧穿。此外，我们报告了包含该原语作为子问题的更大规模问题（多达 200 个量子比特）的结果。