[論文レビュー] Error mitigation increases the effective quantum volume of quantum computers

Ryan LaRose, Andrea Mari+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、追加のハードウェアやサンプリングを要せず、ゼロノイズ補外（ZNE）による誤り低減がNISQ時代の量子コンピュータの有効量子ボリュームを向上させることを示している。著者らは、ノイズスケーリングされた回路にリチャードソン補外を適用することで、ノイズフリーのヘビーアウトプット確率を推定し、有効量子ボリュームを向上させた。Belemでは3から5へ、Limaでは3から4へ、Quitoでは4から5へと向上したが、合計ショット数は同一のままであった。

ABSTRACT

Quantum volume is a single-number metric which, loosely speaking, reports the number of usable qubits on a quantum computer. While improvements to the underlying hardware are a direct means of increasing quantum volume, the metric is "full-stack" and has also been increased by improvements to software, notably compilers. We extend this latter direction by demonstrating that error mitigation, a type of indirect compilation, increases the effective quantum volume of several quantum computers. Importantly, this increase occurs while taking the same number of overall samples. We encourage the adoption of quantum volume as a benchmark for assessing the performance of error mitigation techniques.

研究の動機と目的

• 誤り低減技術が近い将来の量子コンピュータの有効量子ボリュームを向上させられるかどうかを調査すること。
• ZNEのようなソフトウェアレベルの技術が、ハードウェアのアップグレードやサンプリングの増加なしに量子ボリュームを向上させられるかどうかを評価すること。
• 誤り低減技術の評価のためのベンチマークとして量子ボリュームを確立すること。
• 誤り低減による期待値推定が、直接的なビットストリングサンプリングよりも高い有効量子ボリュームを実現できることを示すこと。

提案手法

• 著者らは、リチャードソン補外を用いたゼロノイズ補外（ZNE）を適用し、量子ボリューム回路におけるヘビーアウトプットプロジェクタのノイズフリー期待値を推定した。
• 局所的なCNOTゲートの折りたたみを用いてノイズをスケーリングし、ノイズ要因λ ∈ {1, 3, 5, 7, 9}の回路を生成した。
• 各回路は、各ノイズレベルあたりn_s / 5ショットで実行され、低減済みおよび低減なしの実験で合計ショット数が同一となるようにした。
• ゼロノイズ推定値は、補外係数η_i = ∏_{j≠i} (λ_j / (λ_j - λ_i)) を用いたノイズ付き結果の線形結合として計算された。
• 各キュービット構成について、ヘビーアウトプット確率ĥ_dが推定され、ĥ_d > 2/3 + 2σを満たす最大のmが有効量子ボリュームとして決定された。
• 標準誤差および信頼区間を計算するために、500回のリサンプリングを用いたブートストラップ法が用いられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZNEのような誤り低減技術が、量子コンピュータの有効量子ボリュームを向上させられるか。
• RQ2 合計ショット数を増加させずに、ゼロノイズ補外が推定ヘビーアウトプット確率を向上させられるか。
• RQ3 有効量子ボリュームは、誤り低減性能の評価に適したベンチマークであるか。
• RQ4 一般用途の誤り低減は、デバイス固有のキャリブレーションなしに量子ボリューム回路に適用可能か。

主な発見

• IBMのBelemデバイスでは、誤り低減により有効量子ボリュームが3キュービットから5キュービットに向上した。
• Limaでは、有効量子ボリュームが3キュービットから4キュービットに向上した。
• Quitoでは、有効量子ボリュームが4キュービットから5キュービットに向上した。
• すべてのキュービット構成において、低減済み実験は未低減実験よりも高いヘビーアウトプット確率（ĥ_d）を達成したが、未低減実験では2/3の閾値を満たさなかった。
• 同じ合計ショット数で実現されたことから、ソフトウェアによる効率的向上が示された。
• 結果から、誤り低減はデバイスサイズに依存せず、キュービット数に伴い誤りが拡大しない限り、有効量子ボリュームを向上させられると示唆された。