[論文レビュー] Efficiently improving the performance of noisy quantum computers

Samuele Ferracin, Akel Hashim+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 46被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、個々のゲートではなく、ゲートのフルサイクルを対象とすることで、ノイズの高い量子回路の性能を向上させる2つの効率的な誤り低減プロトコル—ノイズレス出力外挿法（NOX）とパウリ誤りキャンセリング（PEC）—を導入する。ノイズ増幅、確率的誤りキャンセリング、およびサイクルレベルでの誤り再構築（CER）を組み合わせることで、複雑で非局所的かつゲート依存のノイズを低減し、4キュービットの超伝導プロセッサ上で、未低減出力と比較してバリエーション距離で最大86%の向上を達成した。

ABSTRACT

Using near-term quantum computers to achieve a quantum advantage requires efficient strategies to improve the performance of the noisy quantum devices presently available. We develop and experimentally validate two efficient error mitigation protocols named "Noiseless Output Extrapolation" and "Pauli Error Cancellation" that can drastically enhance the performance of quantum circuits composed of noisy cycles of gates. By combining popular mitigation strategies such as probabilistic error cancellation and noise amplification with efficient noise reconstruction methods, our protocols can mitigate a wide range of noise processes that do not satisfy the assumptions underlying existing mitigation protocols, including non-local and gate-dependent processes. We test our protocols on a four-qubit superconducting processor at the Advanced Quantum Testbed. We observe significant improvements in the performance of both structured and random circuits, with up to $86\%$ improvement in variation distance over the unmitigated outputs. Our experiments demonstrate the effectiveness of our protocols, as well as their practicality for current hardware platforms.

研究の動機と目的

• 個々のゲートに依存するノイズモデルに依存する既存の誤り低減プロトコルの限界を克服し、クロストークなどの多キュービットノイズを捉えられないことに対処すること。
• 限られたキュービット数とゲートオーバーヘッドで利用可能な近い将来のノイズの高い量子コンピュータに適した実用的でスケーラブルな誤り低減戦略を開発すること。
• 現在の量子ハードウェアの性能を損なう非局所的でゲート依存的かつ非デポラライジングなノイズプロセスを効果的に低減できること。
• Advanced Quantum Testbedで実施された実験的評価を通じて、プロトコルの顕著な性能向上を実証すること。

提案手法

• プロトコルは、多キュービットおよび相関のある誤りを含む、ゲートサイクル全体に作用するパウリノイズチャネルを効率的に特徴付けるために、サイクル誤り再構築（CER）を用いる。
• NOXは、逆ノイズチャネルを適用することで個々のサイクルにおけるノイズを増幅し、線形応答理論を用いてノイズレス極限に外挿する。
• PECは、逆ノイズチャネルを用いてノイズのある回路をサンプリングし、古典的後処理によってノイズレス期待値を推定する準確率的誤りキャンセリングを採用する。
• 両プロトコルは、測定誤りを補正するために読み出し誤り低減（REM）を統合しており、全体の忠実度を向上させる。
• 回路の深さと誤り率に対して効率的であり、実行時間とバイアスがサイクル数と誤り率に伴い有利にスケーリングされるように設計されている。
• 誤り再構築はサイクルレベルで実施され、従来のゲートセットトモグラフィーでは見逃される複雑で非局所的な誤りプロセスの正確なモデリングを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々のゲートではなく、ゲートのフルサイクルを対象とすることで、大規模な量子回路における誤り低減プロトコルの有効性を高めることができるか？
• RQ2 クロストークや相関誤りなどの非局所的かつゲート依存のノイズプロセスを、近い将来の量子デバイスで効率的に特徴付ける・低減する方法は何か？
• RQ3 ノイズ増幅と確率的誤りキャンセリングを、効率的な誤り再構築と組み合わせることで、最小限のリソースオーバーヘッドで顕著な性能向上を達成できるか？
• RQ4 サイクルレベルでの誤り低減プロトコルは、実際の量子ハードウェア上で、従来のゲートレベルアプローチに比べてどの程度優れているか？
• RQ5 提案されたプロトコルは、現在の超伝導量子プロセッサで実際に実装可能であり、回路忠実度に測定可能な向上をもたらすか？

主な発見

• NOXおよびPECプロトコルは、4キュービットの超伝導プロセッサ上で、未低減出力と比較してバリエーション距離で最大86%の向上を達成し、顕著な性能向上を示した。
• ランダム回路において、プロトコルは未低減結果と比較してバリエーション距離を最大86%まで低減し、複数の回路深さにわたり一貫した改善を示した。
• W状態準備回路では、NOX+REMによりバリエーション距離が8.0%（未低減時）から8%のノイズ条件下で1.9%に低下し、状態準備誤りの強い抑制が確認された。
• 3キュービットのQPE回路では、NOX+REMによりバリエーション距離が15.2%から3.0%に低下し、パrameter推定タスクにおけるノイズの効果的な低減が示された。
• W状態回路では、REM単体よりもプロトコルが優れていたが、QPEおよびランダム回路では追加の利点が限定的であり、文脈依存の有効性が示された。
• 理論的解析と数値シミュレーションにより、プロトコルが回路深さと誤り率に対して有利にスケーリングすることが確認され、バイアスと実行時間はそれぞれO(m²n²ε²)およびO(σ⁻²)で有界であることが示された。