[論文レビュー] Exploiting dynamic quantum circuits in a quantum algorithm with superconducting qubits

Antonio Córcoles, Maika Takita+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 68被引用数 161

ひとこと要約

この論文は、中間回路測定とリアルタイム古典的フィードバックを用いた、超伝導量子プロセッサにおける動的量子回路の初の実験的実装を示している。適応的量子位相推定（IPE）を用いることで、リソース使用量を削減しつつ、位相推定の精度を向上させた。ノイズと遅延が十分に低い条件下で、動的回路は非適応的回路に比べて実用的な利点を示した。

ABSTRACT

The execution of quantum circuits on real systems has largely been limited to those which are simply time-ordered sequences of unitary operations followed by a projective measurement. As hardware platforms for quantum computing continue to mature in size and capability, it is imperative to enable quantum circuits beyond their conventional construction. Here we break into the realm of dynamic quantum circuits on a superconducting-based quantum system. Dynamic quantum circuits involve not only the evolution of the quantum state throughout the computation, but also periodic measurements of a subset of qubits mid-circuit and concurrent processing of the resulting classical information within timescales shorter than the execution times of the circuits. Using noisy quantum hardware, we explore one of the most fundamental quantum algorithms, quantum phase estimation, in its adaptive version, which exploits dynamic circuits, and compare the results to a non-adaptive implementation of the same algorithm. We demonstrate that the version of real-time quantum computing with dynamic circuits can offer a substantial and tangible advantage when noise and latency are sufficiently low in the system, opening the door to a new realm of available algorithms on real quantum systems.

研究の動機と目的

• 実際の量子ハードウェアにおける動的量子回路の実現可能性と利点を検討すること。
• 超伝導量子プロセッサ上で、反復的位相推定（IPE）アルゴリズムの適応的および非適応的バージョンを実装・比較すること。
• ノイズ条件下におけるリアルタイム古典的処理が量子回路性能に与える影響を評価すること。
• システムの遅延とノイズを最小限に抑えた場合、動的回路が量子アルゴリズムにおけるリソースのオーバーヘッドを削減できることを実証すること。

提案手法

• 超伝導量子プロセッサ上で、中間回路測定とリアルタイム古典的フィードバックを用いた反復的位相推定（IPE）を実装すること。
• 1つのアーキテクチャキュービットを用いて、位相ビットを逐次推定し、各測定結果に基づいて以降のZ回転を条件づけること。
• 測定結果に基づき、次に必要な回転角度を古典論理で決定し、システムのコherence時間以内に判断を下すこと。
• ゲートおよび測定の忠実度を評価するために、ランダム化ベンチマークとトモグラフィー的検証を用いること。
• 同一のノイズとハードウェア制約下で、IPE（動的）と標準的Kitaev QPE（非適応的）のリソース効率を比較すること。
• Hoeffdingの不等式を用いて、位相推定の精度を満たすためのサンプリング要件を推定し、リソースのトレードオフを明確にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中間回路測定とリアルタイム古典的フィードバックを伴う動的量子回路を、超伝導量子プロセッサ上で実装できるか？
• RQ2 現実的なノイズと遅延制約下で、適応的位相推定（IPE）は非適応的位相推定をリソース効率面で上回るか？
• RQ3 古典的処理の遅延と測定忠実度は、動的量子回路の性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 動的回路は、所定の位相推定精度を達成するために必要な回路繰り返し回数をどの程度削減できるか？
• RQ5 ノイズの多い中規模量子（NISQ）デバイスにおいて、古典的処理と量子処理の連携は、全体のアルゴリズム的性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 適応的IPEプロトコルは、2.905 × 10⁻⁴の誤差で7ビットの位相近似を達成し、ノイズのあるハードウェア上でも高忠実度の位相推定を実現した。
• 100ショットの測定ステップごとに、位相推定の精度が1/2⁸ = 1/256に達し、7ビットの近似が実現された。
• 動的回路により、非適応的Kitaev QPEと比較して、合計の回路繰り返し回数が削減された。特に、非適応的手法の指数的スケーリングに起因するサンプリングコストを考慮すると顕著であった。
• システムは、コherence時間内にリアルタイム古典的フィードバックを実行できることを示し、現在のNISQデバイスにおける実用的動的回路実行の可能性を裏付けた。
• ノイズと遅延が十分に低い場合、動的回路に実用的な利点があることが実証され、将来的な量子アルゴリズムにおけるその可能性が裏付けられた。
• 本研究は、中間回路測定と古典的フィードバックが、超伝導キュービット系において信頼性高く実装可能であることを確認した。これにより、量子エラー訂正やテレポーテーションといった複雑なアルゴリズムへの道筋が開かれた。