[論文レビュー] Efficient Long-Range Entanglement using Dynamic Circuits

Elisa Bäumer, V.K. Tripathi+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、中間回路測定とフィードフォワードを備えた浅いダイナミック回路を示し、長距離絡みを実現。最大101量子ビットでのCNOTゲート転送を示し、測定に基づくフィードバックを用いたGHZ状態の詳細な誤差予算とともに報告する。

ABSTRACT

Quantum simulation traditionally relies on unitary dynamics, inherently imposing efficiency constraints on the generation of intricate entangled states. In principle, these limitations can be superseded by non-unitary, dynamic circuits. These circuits exploit measurements alongside conditional feed-forward operations, providing a promising approach for long-range entangling gates, higher effective connectivity of near-term hardware, and more efficient state preparations. Here, we explore the utility of shallow dynamic circuits for creating long-range entanglement on large-scale quantum devices. Specifically, we study two tasks: CNOT gate teleportation between up to 101 qubits by feeding forward 99 mid-circuit measurement outcomes, and the preparation of Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) states with genuine entanglement. In the former, we observe that dynamic circuits can outperform their unitary counterparts. In the latter, by tallying instructions of compiled quantum circuits, we provide an error budget detailing the obstacles that must be addressed to unlock the full potential of dynamic circuits. Looking forward, we expect dynamic circuits to be useful for generating long-range entanglement in the near term on large-scale quantum devices.

研究の動機と目的

• ノイズの多い大規模量子デバイス上で、ユニタリ進化の非ユニタリな代替としてダイナミック回路を動機づける。
• 中間回路測定とフィードフォワードを用いて、長距離キュービット連鎖（最大101量子ビット）におけるCNOTゲート転送を実演する。
• ダイナミック回路を用いたGHZ状態の生成を調査し、誤差予算を通じて障害を定量化する。
• ダイナミック回路がユニタリ回路より優れる条件を分析し、実用的利点の条件を概説する。

提案手法

• 長距離CNOTゲート転送のための中間回路測定をn回と補助ビスを用いたダイナミック回路を記述・実装する。
• ダイナミック回路の転送をユニタリ分解と比較し、誤差予算を用いて優位性の領域を予測する。
• CNOTを転送する形でCCZ/Toffoliなど多量子ビットゲートへ approachを一般化する。
• ダイナミック回路を用いてGHZ状態を準備し、誤差緩和を適用して真の多部系絡みを評価する。
• モンテカルロ過程認証とパウリ基盤状態認証を用いて、忠実度と絡みを推定する。

Figure 1: Teleporting a CNOT gate for long-range entanglement. (a) Left: Circuit for a long-range CNOT gate spanning a 1D chain of $n$ -qubits subject to nearest-neighbor connections only. Middle: Equivalent unitary decomposition into implementable CNOT gates; circuit depth $\mathcal{O}(n)$ . Right:

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中間回路測定を含む浅いダイナミック回路は、長距離絡み生成においてユニタリ回路を上回ることができるか。
• RQ2 超伝導プロセッサ上で、距離が長くなるにつれてCNOTゲート転送の忠実度はどのようになるか。
• RQ3 ダイナミック回路は大規模デバイスで真の多部系絡みを持つGHZ状態の生成をどの程度可能にするか。
• RQ4 ダイナミック回路の実用的利点を制限する主なハードウェア・プロトコルの障害は何で、それらをどう緩和できるか。

主な発見

• 中間回路測定を含むダイナミック回路は、長距離（最大101量子ビット）での量子ビット絡み化に対してユニタリ回路を凌ぐことがある。
• 転送されたダイナミックCNOTゲートの測定忠実度は約0.4に収束することが多く、導出された誤差予算と一致する。
• ダイナミック回路を用いたGHZ状態の生成は、未緩和状態で最大6量子ビットの真の多部系絡みを示し、ユニタリ回路では緩和を伴い最大17量子ビットである；ダイナミック回路は改善を示すものの、現状条件下で明確な交差利得には至っていない。
• 誤差予算分析は、アイドル時間、中間回路測定、フィードフォワードを主要因として特性に影響し、ダイナミック回路が有利になる近未来の条件を示唆する。
• この研究は、補助量子ビットをバスとして使用することで、ダイナミック回路が全ての結合性を効果的に提供し、接続性の限られたデバイスで長距離絡みを実現することを示している。

Figure 2: CCZ with (a) unitary circuit and (b) a dynamic circuit over long ranges.