[論文レビュー] Complete characterization of the single-qubit quantum gates used in the IBM quantum processors

Abhishek Shukla, Mitali Sisodia+1 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 34被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、IBMのQX2およびQX4量子プロセッサにおけるすべての1キュービットゲートに対して量子過程トモグラフィーを実施し、ゲートの忠実度を評価するとともに、スケーラブルな量子計算への適性を検討した。その結果、QX4は一般にQX2よりも高いゲート忠実度を示したが、両アーキテクチャともNMRなどの他の技術と比較して忠実度が低く、誤り耐性で複雑な量子操作を実現するには顕著な技術的改善が求められることを示した。

ABSTRACT

Quantum process tomography of each single-qubit quantum gate used in the IBM quantum processors is performed to compute gate error in order to check viability of complex quantum operations in the superconductivity-based quantum computers introduced by IBM and to compare the quality of these gates with the corresponding gates implemented using other technologies. Gate fidelities for all the allowed gates for every allowed position (i.e., by placing the gates in different qubit lines) have been obtained and reported for IBM QX4 architecture. Gate fidelities are observed to be lower than the corresponding values obtained in the other technologies, like NMR. Further, gate fidelities for all the single-qubit gates are obtained for IBM QX2 architecture by placing the gates in the third qubit line ($q[2]$). It's observed that the IBM QX4 architecture yields better gate fidelity compared to IBM QX2 in all cases except the case of $\operatorname{Y}$ gate as far as the gate fidelity corresponding to the third qubit line is concerned. In general, the analysis performed here leads to a conclusion that a considerable technological improvement would be inevitable to achieve the desired scalability required for the realization of complex quantum operations.

研究の動機と目的

• ゲート忠実度を測定することで、IBMのスーパーコンダクティング量子プロセッサが複雑な量子操作に適しているかどうかを評価すること。
• 異なるキュービット位置におけるIBM QX2およびQX4アーキテクチャの1キュービットゲートの性能を比較すること。
• 特に両アーキテクチャの3番目のキュービットライン（$q[2]$）に注目し、キュービット位置に応じた忠実度の変動を評価すること。
• 他の量子技術（例：NMR）と比較して、IBMのゲート性能をベンチマーク化し、技術的ギャップを特定すること。

提案手法

• IBM QX2およびQX4プロセッサのすべての1キュービットゲートに量子過程トモグラフィー（QPT）を適用し、過程行列を再構築した。
• 再構築された過程行列からゲート忠実度を計算し、ゲート性能を定量的に評価した。
• ゲートを異なるキュービットラインに配置して測定を行い、特に一貫性および位置依存の変動を分析する目的で3番目のキュービットライン（$q[2]$）を対象とした。
• アーキテクチャ間（QX2 対 QX4）および技術間（IBM 対 NMR）の忠実度比較を通じて、相対的な性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IBM QX4プロセッサにおける、異なるキュービット位置での各1キュービットゲートの忠実度はどの程度か？
• RQ2 特に3番目のキュービットライン（$q[2]$）において、IBM QX2プロセッサのゲート忠実度はQX4プロセッサと比較してどう異なるか？
• RQ3 IBMのスーパーコンダクティングプロセッサにおけるゲート忠実度は、NMRなどの他の技術と同等か？
• RQ4 IBMの量子アーキテクチャにおいて、キュービット位置がゲート忠実度に与える影響は何か？

主な発見

• QX4アーキテクチャでは、3番目のキュービットライン（$q[2]$）で測定した場合、Yゲートを除き、すべての1キュービットゲートにおいてQX2よりも高い忠実度を達成した。
• IBMのスーパーコンダクティングプロセッサにおけるゲート忠実度は、他の技術（例：NMR）と比較して一貫して低く、改善の余地が大きいことが明らかになった。
• QX4プロセッサのYゲートは、3番目のキュービットラインでQX2プロセッサのそれよりも忠実度が低く、位置に依存する異常を示した。
• 本研究は、スケーラブルで誤り耐性のある量子計算を実現するには、顕著な技術的改善が不可欠であると結論づけた。