[論文レビュー] Concepts and conditions for error suppression through randomized compiling

Adam Winick, Joel J. Wallman+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、ランダム化コン piling (RC) が、量子回路におけるマーカフィアンおよび非マーカフィアンエラーを抑制することを確立している。RCは、相関的で時間依存のエラーを確率的パウリノイズに変換することで、エラーの蓄積とばらつきを低減する。IBM Quantumデバイスにおける実験的結果は、トレース距離 fidelity に最大25%の向上を示し、高ノイズ環境下でもRCの有効性を確認している。

ABSTRACT

Randomized compiling reduces the effects of errors on quantum computers by tailoring arbitrary Markovian errors into stochastic Pauli noise. Here we prove that randomized compiling also tailors non-Markovian errors into local stochastic Pauli noise and investigate the technique's limitations. We show through analysis and numerical results that randomized compiling alters errors in three distinct helpful ways. First, it prevents the coherent accumulation of errors (including hard to remove crosstalk effects) across gate cycles by destroying intercycle coherent correlations. Second, it converts individual gate cycle errors into Pauli noise. Finally, randomized compiling reduces the variability inherent to noisy devices. We confirm these theoretical predictions with the IBM Quantum Experience platform and describe experimental data that illustrates a drastic performance improvement across public devices. These results cement the importance of randomized compiling in near- and long-term quantum information processing.

研究の動機と目的

• ランダム化コンパイル（RC）の理論的基盤を、マーカフィアンエラーにとどまらず、非マーカフィアンおよび時間依存エラーへと拡張すること。
• ノイズの多い量子デバイスにおける、相関的エラーおよび悪意のあるエラー蓄積を効果的に抑制するRCの条件を明確化すること。
• 多様な回路タイプにわたり、実際のIBM Quantumデバイス上でRCの性能向上を実験的に検証すること。
• RCとランダムダイナミカルデカップリング（RDD）の間の理論的および実験的関連を確立し、共通するエラー抑制メカニズムを強調すること。
• RCが複雑なエラーを扱いやすい確率的パウリノイズに変換することで、より信頼性の高い誤差同定（ランダム化ベンチマーク）を可能にすること。

提案手法

• RCは、各ゲートサイクルの前後にランダムな単一キュービットクリフォードゲートを適用することで、エラー過程を分離し、相関的エラー蓄積を抑制する。
• この手法により、任意のマーカフィアンおよび非マーカフィアンエラーが局所的な確率的パウリノイズに変換され、効率的な同定と補正が可能になる。
• RCは、ランダムダイナミカルデカップリング（RDD）と同一のダイナミカルデカップリングメカニズムを活用しており、ランダマイゼーションによってサイクル間の相関を破壊する。
• デジタルプリコンパイルによる適用で、回路の深さにほとんど影響を与えず、計算効率を維持する。
• トレース距離の忠実度（TVD）を用いて、理想状態とノイズ状態の間の距離を測定し、統計的信頼区間を報告することでエラー抑制を定量化する。
• 複数回のランダム化コンパイル（例：N_RC = 36）を用いて、ランダムシーケンスの平均化を図り、実験的推定値のばらつきを低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランダム化コンパイルが、量子回路における非マーカフィアンおよび時間依存エラーを効果的に抑制する条件は何か？
• RQ2 ランダムダイナミカルデカップリング（RDD）と比較して、RCのエラー抑制メカニズムと性能はどのように異なるか？
• RQ3 RCは、実際のノイズの多い量子ハードウェア上で、エラーのばらつきをどれほど低減し、トレース距離の忠実度を向上させるか？
• RQ4 理論的保証が厳密には成り立たない高エラー環境下でも、RCは性能を信頼性高く向上させることができるか？
• RQ5 RCは、複雑なエラーを確率的パウリノイズに変換することで、より正確で信頼性の高いランダム化ベンチマーク（RB）推定を可能にするか？

主な発見

• RCは、マーカフィアン仮定がなくても、非マーカフィアンおよび時間依存エラーを確率的パウリノイズに変換することで、それらを効果的に抑制した。
• RCは、サイクル間の相関を破壊することで、相関的エラー蓄積を低減し、ランダムダイナミカルデカップリング（RDD）と同等の性能向上を達成した。
• IBM Quantumデバイス上では、QCC-VQE手法を用いたLiH電子構造シミュレーションにおいて、トレース距離（TVD）が最大25%低減された。
• 同時にCNOTゲートが多数発生する深くノイズの強い回路においても、RCは全回路長にわたり5〜10%のTVD低減を達成した。
• 実験データは、RCが出力のばらつきを安定化させることを示した。複数回のランダム化コンパイルにおけるTVD値は、きわめて集中しており、平均的な急低下が観察された。
• 混沌とした単一ランダム化シーケンスや構造的VQE回路を含む、すべてのテスト環境でRCは性能を向上させ、理論的限界を超えた堅牢性を示した。