[論文レビュー] Experimental demonstration of the advantage of adaptive quantum circuits

Michael Foss‐Feig, Arkin Tikku+17 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 17

ひとこと要約

論文は実験的に、途中測定とフィードフォワードを備えた定数深さの適応量子回路が、深さ4でトーリックコード基底状態を準備できることを示し、その忠実度は76.9%で、同じ深さの純粋な単位ary回路を上回り、最大で50%に制限される。

ABSTRACT

Adaptive quantum circuits employ unitary gates assisted by mid-circuit measurement, classical computation on the measurement outcome, and the conditional application of future unitary gates based on the result of the classical computation. In this paper, we experimentally demonstrate that even a noisy adaptive quantum circuit of constant depth can achieve a task that is impossible for any purely unitary quantum circuit of identical depth: the preparation of long-range entangled topological states with high fidelity. We prepare a particular toric code ground state with fidelity of at least $76.9\pm 1.3\%$ using a constant depth ($d=4$) adaptive circuit, and rigorously show that no unitary circuit of the same depth and connectivity could prepare this state with fidelity greater than $50\%$.

研究の動機と目的

• 適応型量子回路が古典的処理を活用して量子リソース要件を削減できることを動機付け、実証する。
• 定数深さの適応回路が単位aryのみの能力を超える長距離エンタングルメント状態を準備できることを示す。
• 同一のハードウェア制約下で適応回路と非適応回路を区別する検証可能な忠実度指標を提供する。
• 理論的限界を検証するため、実験的にトラapped-ion量子計算機上でプロトコルを実装・テストする。

提案手法

• データ量子ビットを|+>の初期積状態に準備し、アシナ量子ビットを用いてZ型安定化子を測定して幾何を定義する。
• Z安定化子測定結果に条件付けを行いX補正を古典的フィードフォワードで適用して欠陥を除去し、基底状態多様体へ到達させる。
• 回転表面コードの論理状態|+>を開 boundary で準備する深さ4の適応回路を使用。
• 2基底からの測定によって忠実度を推定し、標的論理状態との重なりを制限する。
• 同じ幾何形状と深さに対して忠実度が50%を超えられないことを示す深さ4の局所単位ary回路の境界と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じ幾何形状内で定数深さの適応回路は、同じ幾何で定数深さの局所ユニタリ回路を上回る長距離エンタングルされたトーリックコード基底状態を準備できるか？
• RQ2 同一のリソース制約下で適応フィードフォワードと純粋なユニタリ回路を区別する忠実度境界は何か？
• RQ3 途中測定とリアルタイムの古典処理は、固定深さ内でトポロジカルに秩序だった状態の準備をどう促進するか？

主な発見

• 適応深さ4回路は、トーリックコード基底状態に対して忠実度F ≥ 0.769、不確かさ±0.013を達成。
• 同じ幾何で深さ4の局所ユニタリ回路の上限は忠実度0.5を超えられないことを示す。
• 実験実装は、Quantinuum H1-1でリアルタイム古典ロジックを用い、19量子ビット（データ12量子ビット、補助7量子ビット）を使用。
• 忠実度推定はX基底およびZ基底測定からのP_xとP_z射影を用い、F ≥ ⟨P_x⟩ + ⟨P_z⟩ − 1でFを下限化して推定。
• 結果は、同一の深さと結合性を有する非適応回路に対する適応回路の検証可能な優位性を示す。