[論文レビュー] Circuit optimization for IBM processors: A way to get higher fidelity and higher values of nonclassicality witnesses

Mitali Sisodia, Abhishek Shukla+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 26被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、IBMの超伝導量子プロセッサにおけるClifford+Tゲートを用いた体系的な回路最適化手法を提案し、ゲート数と回路深さを低減することで、保証された保証精度と非古典的性質の証拠を向上させた。既存の量子回路およびベンチマーク回路にカスタム最適化アルゴリズムを適用した結果、状態の保証精度が著しく向上し、Merminの不等式の破れも強化された—非古典的性質の証拠は0.85から1.116に上昇—これにより、近い将来の量子デバイスにおける量子優位性の証拠が強化された。

ABSTRACT

Recently, various quantum computing and communication tasks have been implemented using IBM's superconductivity-based quantum computers which are available on the cloud. Here, we show that the circuits used in most of those works were not optimized and the use of the optimized circuits can considerably improve the possibility of observing unique features of quantum mechanics. Specifically, a systematic procedure is used here to obtain optimized circuits (circuits having reduced gate count and number of levels) for a large number of Clifford+T circuits which have already been implemented in the IBM quantum computers. Optimized circuits implementable in IBM quantum computers are also obtained for a set of reversible benchmark circuits. With a clear example, it is shown that the reduction in circuit costs enhances the fidelity of the output state (with respect to the theoretically expected state in the absence of noise) as lesser number of gates and levels introduce lesser amount of errors during evolution of the state. Further, considering Mermin inequality as an example, it's shown that the violation of classical limit is enhanced when we use an optimized circuit. Thus, the approach adopted here can be used to identify relatively weaker signature of quantumness and also to establish quantum supremacy in a stronger manner.

研究の動機と目的

• 既存のIBM量子コンputing実験における回路最適化の欠如が、ノイズ蓄積に起因する保証精度の低下を引き起こすという問題に対処すること。
• 5キュービットアーキテクチャであるIBMのQX2およびQX4に適用可能な汎用的最適化フレームワークを開発すること。特に、ゲート数と回路深さの最小化に焦点を当てる。
• 最適化された回路が、より高い保証精度の出力状態と、Merminの不等式の強化された破れといった、量子非古典的性質の明確な兆候を示すことを実証すること。
• 近い将来のノイズの多い中規模量子（NISQ）デバイス上で、量子アルゴリズムとベンチマークのより信頼性の高い実装を可能にすること。
• 5キュービットを超えるより大きなIBM量子プロセッサにも適用可能なスケーラブルでアーキテクチャに依存しない最適化ツールを提供すること。

提案手法

• 著者らは、入力されたClifford+T回路を、ゲート数と回路レベル数を削減した同等の回路に変換するカスタム最適化アルゴリズムを採用している。
• 最適化プロセスは、IBMのQX2およびQX4プロセッサのネイティブな結合アーキテクチャ、特にCNOTゲートの方向性と接続制約を尊重している。
• 回路はまず標準的手法を用いてClifford+T形式にコンパイルされ、その後、Tカウントと回路深さを最小化する合成アルゴリズムを用いて最適化される。
• この手法は、以前に実装済みの量子回路と、フルアダー、Toffoli、ALU関数を含む可逆論理回路のベンチマークセットを用いて検証された。
• 最適化された回路は、ゲート数、深さ、期待される保証精度の観点から、元の回路と比較してシミュレーションによって評価された。
• 出力状態の非古典的性質はMerminの不等式を用いて定量化され、破れの度合いは⟨M₃⟩−2として測定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IBMの5キュービット量子プロセッサにおいて、Clifford+T回路の体系的最適化は、ゲート数と回路深さを低減できるか？
• RQ2 ノイズの存在下で、回路最適化は出力量子状態の保証精度をどの程度向上させるか？
• RQ3 回路最適化はMerminの不等式の破れを強化するか？ これにより、非古典的性質の明確な兆候が得られるか？
• RQ4 提案された最適化手法は、可逆論理ベンチマークを含む広範な量子回路に一般化・適用可能か？
• RQ5 回路コストの低減は、量子優位性の観測の信頼性と実験的実現可能性にどのように影響するか？

主な発見

• 3キュービットのMermin不等式実験における最適化回路では、非古典的性質の証拠が0.85から1.116に上昇し、古典的限界に対する著しい破れが示された。
• ゲート数と回路深さの低減により、状態発展中のノイズ蓄積が最小限に抑えられ、最適化された回路では出力状態の保証精度が向上した。
• 可逆ベンチマーク回路では、ゲート数が最大70%、回路深さが最大60%まで低減された。特に、alu-v2_31やmini-alu_167などの回路で顕著に見られた。
• 最適化アルゴリズムは、CNOTゲート数と回路レベル数を削減しながら、QX4アーキテクチャの接続制約下でも機能的同等性を保持した。
• この手法は汎用的かつスケーラブルであり、16キュービットおよび20キュービットのIBMプロセッサへの応用が可能であることが、165個のベンチマーク回路の成功した最適化により示された。
• 結果から、回路最適化が近い将来の量子デバイスにおける顕著な量子的特徴の観測と量子優位性の確立に不可欠であることが確認された。