[論文レビュー] Cross-Platform Comparison of Arbitrary Quantum Computations

Daiwei Zhu, Ze-Pei Cian+15 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、乱択測定を用いて、超伝導（IBM）、捕獲イオン（UMD、IonQ）など多様な量子コンピューティングプラットフォーム間で任意の量子回路のクロスプラットフォーム比較を実施し、クロスプラットフォームの忠実度を推定する。少数の乱択測定でも最小限のオーバーヘッドで忠実度を高精度に推定できることを示しており、プラットフォーム固有の誤りを特定し、量子優位性の到達以前のスケーラブルな量子計算の検証を可能にする。

ABSTRACT

As we approach the era of quantum advantage, when quantum computers (QCs) can outperform any classical computer on particular tasks, there remains the difficult challenge of how to validate their performance. While algorithmic success can be easily verified in some instances such as number factoring or oracular algorithms, these approaches only provide pass/fail information for a single QC. On the other hand, a comparison between different QCs on the same arbitrary circuit provides a lower-bound for generic validation: a quantum computation is only as valid as the agreement between the results produced on different QCs. Such an approach is also at the heart of evaluating metrological standards such as disparate atomic clocks. In this paper, we report a cross-platform QC comparison using randomized and correlated measurements that results in a wealth of information on the QC systems. We execute several quantum circuits on widely different physical QC platforms and analyze the cross-platform fidelities.

研究の動機と目的

• 異なるハードウェアプラットフォーム間で量子コンピュータの性能を検証するスケーラブルな手法を開発すること。
• 古典的ベンチマークが存在しない状況で、量子優位性の主張を検証する課題に対処すること。
• 同一の回路を異なる量子システムで実行した出力を比較することで、ハードウェア固有の誤りを露呈すること。
• 完全な状態トモグラフィーと比較してリソースのオーバーヘッドを低減しつつ、忠実度推定の正確性を維持すること。
• クロスプラットフォームの一貫性チェックを通じて、次世代量子デバイスのベンチマークを可能にすること。

提案手法

• 異なるプラットフォームで実行された量子回路間のクロスプラットフォーム忠実度を推定するために、乱択測定を採用した。
• 捕獲イオン系（UMD、IonQ）のネイティブゲートセットに回路をコンパイルするために、KAK分解を用いた。
• 量子ビットの割り当て最適化とSWAPゲートの最小化を含む回路最適化技術を適用し、ゲート数を削減した。
• ブートストラップリサンプリングを用いて、乱択測定の推定値と完全な状態トモグラフィーとの間の忠実度の誤差境界を推定した。
• IBM超伝導、UMD EURIQAおよびTIQC捕獲イオン、IonQ商用システムの合計4つのプラットフォームで結果を比較した。
• 定数係数を低減した乱択測定プロトコルを採用することで、完全な状態トモグラフィーを回避し、指数関数的スケーリングを実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乱択測定は、完全な状態トモグラフィーの代替として、クロスプラットフォーム量子忠実度推定において高精度かつスケーラブルな手法となり得るか？
• RQ2 同じ任意の量子回路を実行する際、超伝導系と捕獲イオン系という異なる量子ハードウェアプラットフォームの忠実度は、どのように比較できるか？
• RQ3 少数の乱択測定で、プラットフォーム間の量子状態の真の忠実度をどの程度正確に近似できるか？
• RQ4 クロスプラットフォーム回路比較によって、どのような種類のハードウェア固有の誤りが露わになるか？
• RQ5 量子ボリューム回路において、量子ビットの接続性とルーティングは、プラットフォーム間の忠実度にどのように影響するか？

主な発見

• 乱択測定を用いたクロスプラットフォーム忠実度推定は、完全な状態トモグラフィーに必要な測定数のわずか一部で、高い正確性を達成した。
• 全テストプラットフォームにおいて、乱択測定の推定値と完全トモグラフィーとの平均忠実度誤差は0.01未満であり、標準偏差は0.005未塔であった。
• UMD_1、UMD_2、IonQの捕獲イオンプラットフォームは、同等の回路に対して98.5–99.7%の平均忠実度を示したのに対し、IBM超伝導システムは95.5–97.5%の平均忠実度であった。
• 量子ボリューム回路において、必要な2量子ビットゲート数は、すべてのプラットフォームで回路の深さに比例して線形に増加した。超伝導系では、接続性の制限によりSWAPゲートのオーバーヘッドが高かった。
• IonQシステムは、回路全体にわたり最も一貫性のある性能を示し、2量子ビットゲートの忠実度は95–97%であり、クロスプラットフォーム忠実度推定値のばらつきも最小であった。
• SPAM補正はUMD_2での忠実度推定値を改善し、検出ノイズを低減した。一方、SPAM補正が施されていないプラットフォームでも、クロスプラットフォームでの一致が強く保たれており、この手法のロバスト性が示された。