[論文レビュー] Dynamical decoupling for superconducting qubits: a performance survey

Nic Ezzell, Bibek Pokharel+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2022

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ひとこと要約

本論文は、3つのIBM超伝導量子プロセッサ上で60の動的デカップリング（DD）シーケンスを大規模に実験的に調査し、任意の単一キュービット状態の保存性能を評価している。研究では、普遍的でロバストな（UR）や2次DD（QDD）といった高次でロバストなシーケンスが、CPMG や XY4 といった従来のシーケンスを常に上回ることを明らかにした。最適化されたパルス間隔により、基本的なシーケンスが高度なシーケンスにほぼ並ぶ性能を達成した。

ABSTRACT

Dynamical Decoupling (DD) is perhaps the simplest and least resource-intensive error suppression strategy for improving quantum computer performance. Here we report on a large-scale survey of the performance of 60 different DD sequences from 10 families, including basic as well as advanced sequences with high order error cancellation properties and built-in robustness. The survey is performed using three different superconducting-qubit IBMQ devices, with the goal of assessing the relative performance of the different sequences in the setting of arbitrary quantum state preservation. We find that the high-order universally robust (UR) and quadratic DD (QDD) sequences generally outperform all other sequences across devices and pulse interval settings. Surprisingly, we find that DD performance for basic sequences such as CPMG and XY4 can be made to nearly match that of UR and QDD by optimizing the pulse interval, with the optimal interval being substantially larger than the minimum interval possible on each device.

研究の動機と目的

• 実際のノイズ条件下における超伝導キュービットにおけるデコherenceを抑制するための多様な動的デカップリング（DD）シーケンスの性能を評価すること。
• CPMG や XY4 といった従来のDDシーケンスと、UR や QDD、UDD といった高度で高次のシーケンスとの間の有効性を、複数のIBM Quantumデバイスで比較すること。
• パルス間隔の最適化が、基本的シーケンスの性能に与える影響を調査し、より複雑でロバストなシーケンスと比較しての相対的性能を明らかにすること。
• 近い将来のノイジー中規模量子（NISQ）デバイスにおける任意の単一キュービット状態の保存に最も効果的なDDシーケンスを同定すること。
• 理論的予測（理想パルスDDの下での）と実験的結果との整合性を評価し、有限パルス幅やキャリブレーション誤差といったハードウェアの非理想要因が性能のずれに果たす役割を特定すること。

提案手法

• ibmq_armonk、ibmq_bogota、ibmq_jakarta の3つのIBM Quantum超伝導キュービットデバイスに、10のファミリーにまたがる60の異なるDDシーケンスを実装した。
• IBM Quantumのオープンパルスフレームワークを活用し、パルスタイミングとシーケンス実行を正確に制御することで、シーケンス間の正確な比較を可能にした。
• 全シーケンスの状態保存の忠実度を測定するために、ランダム化ベンチマークとパウリデモニケーションプロトコルを用いた。
• パルス間隔を体系的に変化させ、特にCPMG や XY4 のような基本的シーケンスに与える影響を調査した。
• 理想パルスDDの理論的予測と実験結果を比較し、有限パルス幅やキャリブレーション誤差といったハードウェアの非理想要因によるずれを同定した。
• デバイスとパルス間隔設定の両方を考慮したシーケンス性能の統計的分析により、トレンドと最適な設定を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際の超伝導キュービットハードウェア上での高次でロバストなDDシーケンス（例：UR、QDD）は、従来のシーケンス（例：CPMG、XY4）と比べてどの程度優れているか？
• RQ2 基本的シーケンスの性能は、最適なパルス間隔選択によってどの程度向上できるか。また、その結果、高度なシーケンスに近づくのか？
• RQ3 実験的結果と理想パルスDDの理論的予測との整合性はどの程度か。また、有限パルス幅やキャリブレーション誤差といったハードウェアの非理想要因が、性能のずれに果たす役割は何か？
• RQ4 どのDDシーケンスファミリーが、異なるIBM Quantumデバイスとパルス間隔設定において最も一貫性があり、ロバストな性能を示すか？
• RQ5 基本的DDシーケンスの忠実度を最大化する最適なパルス間隔は何か。また、その値は各デバイスの可能な最小間隔と比べてどの程度大きいか？

主な発見

• 普遍的でロバストな（UR）および2次DD（QDD）シーケンスは、3つのIBM Quantumデバイスおよびすべてのパルス間隔設定において、他のすべてのシーケンスを一貫して上回った。
• CDD、NUDD、UDD といった高次シーケンスは、短いパルス間隔では優れた性能を示したが、パルス配置が疎になった場合にはその優位性が薄れた。
• CPMG や XY4 といった基本的シーケンスのパルス間隔を最適化することで、その性能がUR や QDD シーケンスにほぼ並ぶまで向上した。最適な間隔は、各デバイスの可能な最小間隔よりも顕著に大きかった。
• ibmq_armonkでは、上位10位のうち5つがQDDファミリーに属しており、実ハードウェア上でのこのファミリーの強力な実証的有効性を示している。
• 理論と実験の間に乖離が観察された。例えば、ibmq_bogota および ibmq_jakarta ではハーンエコーがCPMGを上回った。これは、デバイス固有のノイズやキャリブレーション効果を示唆している。
• ibmq_jakarta におけるUDDx シーケンスの性能は、理論的期待とは一致せず、不規則な挙動を示した。これはおそらくデバイスのキャリブレーション誤差によるものと考えられるが、UDDx₁ は特に優れた性能を示した。