[論文レビュー] Establishing trust in quantum computations

Timothy Proctor, Stefan Seritan+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、ノイジィな中規模量子（NISQ）デバイスや将来のフォールトトレランスシステムにおいて、量子回路実行の忠実度を検証するスケーラブルで効率的なプロトコルであるミラー回路忠実度推定（MCFE）を導入する。運動反転とランダム化コンパイレーションを用いたミラーサーキットにより、MCFEは線形の古典的スケーリングと定数のデータ要件で忠実度を推定し、従来のトモグラフィーにおける指数的スケーリングの問題を回避する。

ABSTRACT

Quantum computing hardware has grown sufficiently complex that it often can no longer be simulated by classical computers, but its computational power remains limited by errors. These errors corrupt the results of quantum algorithms, and it is no longer always feasible to use classical simulations to directly check the correctness of quantum computations. Without practical methods for quantifying the accuracy with which a quantum algorithm has been executed, it is difficult to establish trust in the results of a quantum computation. Here we solve this problem, by introducing a simple and efficient technique for measuring the fidelity with which an as-built quantum computer can execute an algorithm. Our technique converts the algorithm's quantum circuits into a set of closely related ``mirror circuits'' whose success rates can be efficiently measured. It enables measuring the fidelity of quantum algorithm executions both in the near-term, with algorithms run on hundreds or thousands of physical qubits, and into the future, with algorithms run on logical qubits protected by quantum error correction.

研究の動機と目的

• ノイジィでシミュレート不能な量子ハードウェア上で、量子計算の正しさと正確性を検証するという重要な課題に対処すること。
• 古典的シミュレーションや特別な回路特性に依存せずに、量子アルゴリズム実行の忠実度を定量化する手法を開発すること。
• 実世界の量子コンピュータにおける実用的でスケーラブルな検証プロトコルを提供することで、量子優位性の主張に対する信頼を確保すること。
• 量子回路が数百乃至数千の物理キュービットにスケーリングしても、忠実度推定が効率的かつ正確なまま保たれることを保証すること。
• 量子エラー訂正で保護された将来の論理キュービットシステムに対しても検証能力を拡張すること。

提案手法

• 運動反転（ロシュミットエコー）を用いて、元の量子回路からミラーサーキットを構築し、回路のユニタリ進化を逆転する。
• ランダム化コンパイレーションを用いて、元の回路の忠実度を実装におけるノイズや誤りから分離する。
• 3つの異なる運動反転回路を、ランダム化されたパウリフレームを用いて、ミラーサーキットの平均成功確率を推定する。
• 平均補正成功確率関数を適用し、構成する部分回路の忠実度の積を近似することで、元の回路の忠実度を直接推定可能にする。
• ノイズチャネルのパウリツイリングおよびユニタリ回転の性質に依存することで、忠実度推定が頑健かつ正確であることを保証する。
• 回路の深さおよびキュービット数に線形にスケーリングされ、データ要件がキュービット数に依存しないため、トモグラフィック手法の指数的スケーリングを回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノイジィでシミュレート不能な量子コンピュータ上で、量子回路の忠実度をどのように効率的に推定できるか。
• RQ2 回路サイズに応じて効率的にスケーリングされ、ハードウェアノイズに対して頑健な検証プロトコルを設計できるか。
• RQ3 忠実度推定を、実行中の量子アルゴリズムの具体的な構造からどれほど分離できるか。
• RQ4 この手法は、NISQデバイスおよび将来のフォールトトレランスシステムにおける論理キュービットを含めたシステムに適用可能か。
• RQ5 正確なシミュレーションや既知の誤りモデルと比較して、この手法の忠実度推定の正確性はどの程度か。

主な発見

• MCFEプロトコルは、キュービット数および回路深さに対して線形の古典的計算複雑性を達成し、大規模な回路へのスケーラビリティを実現する。
• 所定の相対精度で忠実度を推定するために必要な実験データ量は、キュービット数に依存せず、指数的オーバーヘッドを回避する。
• 4種類の異なる誤りモデル（S、H、H+S、H-2Q）におけるQAOA回路のシミュレーションでは、MCFEがすべてのモデルで真値の1〜2%以内に忠実度を正確に推定した。
• 確率的パウリ誤り、オーバーローテーションハミルトニアン誤り、読み出しデポラライジングノイズを含む多様なノイズタイプに対しても、この手法は頑健である。
• MCFEは、最大100個の物理キュービットを有する回路に対しても忠実度を推定でき、近い将来の量子ハードウェアにおける実現可能性を示した。
• このプロトコルにより、実用的で効率的かつスケーラブルな方法で実行精度を定量化できるため、量子優位性の主張の検証が可能になった。