[論文レビュー] Extending the computational reach of a noisy superconducting quantum processor

Abhinav Kandala, Kristan Temme+4 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 28被引用数 118

ひとこと要約

本論文は、5-qubitの超導プロセッサ上でゼロノイズ外挿誤り低減を実験的に実装し、量子化学と量子磁性の変分固有値ソルバーの短深度量子回路の精度を向上させる。

ABSTRACT

Quantum computation, a completely different paradigm of computing, benefits from theoretically proven speed-ups for certain problems and opens up the possibility of exactly studying the properties of quantum systems. Yet, because of the inherent fragile nature of the physical computing elements, qubits, achieving quantum advantages over classical computation requires extremely low error rates for qubit operations as well as a significant overhead of physical qubits, in order to realize fault-tolerance via quantum error correction. However, recent theoretical work has shown that the accuracy of computation based off expectation values of quantum observables can be enhanced through an extrapolation of results from a collection of varying noisy experiments. Here, we demonstrate this error mitigation protocol on a superconducting quantum processor, enhancing its computational capability, with no additional hardware modifications. We apply the protocol to mitigate errors on canonical single- and two-qubit experiments and then extend its application to the variational optimization of Hamiltonians for quantum chemistry and magnetism. We effectively demonstrate that the suppression of incoherent errors helps unearth otherwise inaccessible accuracies to the variational solutions using our noisy processor. These results demonstrate that error mitigation techniques will be critical to significantly enhance the capabilities of near-term quantum computing hardware.

研究の動機と目的

• ハードウェア資源を追加せずに非コヒーレント誤差を緩和することにより、近似期ハードウェア上の量子計算の改善を動機づける。
• ゼロノイズ外挿が超伝導量子ビットを用いた単一量子ビットおよび二量子ビット実験の期待値精度を高められることを示す。
• スピンモデルや小分子のハードウェア効率的な変分固有値ソルバーへの誤差低減の適用を拡張する。
• 非コヒーレンス誤差の抑制が深い回路を可能にし、より正確な変分解を生み出すことを定量化する。

提案手法

• 任意の量子回路を、パウリ演算子 Pα を用いた時間依存ドライブ K(t) の進化として表現する。
• リチャードソンの遅延極限法を用いて、伸長ノイズレベル c_iλ の測定を組み合わせて緩和推定値 E*K(λ) を構築する。
• 時間平行性ノイズを持つスケールドドライブプロトコル K^I(t) を実装して、ハードウェア変更なしにノイズ強度を増幅させて模擬する。
• ゲート長、立ち上がり/落下時間、バッファを因子 c_i で伸長し、{c_i} に関する線形制約を通じて ÊK^n(λ) を実現するように校正する。
• ランダムな単一量子ビットおよび二量子ビットクリフォード回路、および Heisenberg、H2、LiH の問題に対するハードウェア効率的 VQE Ansätze にゼロノイズ外挿を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゼロノイズ外挿は、近期ノイズ付き超伝導量子プロセッサの変分アルゴリズムに対する有用な計算的到達範囲を拡張できるか。
• RQ2 誤差低減が量子磁性体と小分子系のハードウェア効率的 VQE の收束と精度にどのように影響するか。
• RQ3 超伝導量子ビットでのゼロノイズ外挿の実装に影響を与える実践的な考慮事項（コヒーレンス変動、サンプリング、ゲートの非線形性）とは何か。

主な発見

• ゼロノイズ外挿は単一量子ビットおよび二量子ビット実験の高次誤差項を抑制し、推定値をゼロノイズ限界に近づける。
• 誤差低減により、ハードウェア効率的なより深い試行回路が、誤差低減なしでは得られないような正確なエネルギーをヘイゼンベルグ（Heisenberg）スピンモデルで得られる。
• H2およびLiHにおける緩和エネルギーとパウリ項期待値は、同程度のコヒーレンス特性を用いた未緩和と比較して、厳密解により近く一致する。
• サンプリング分散とコヒーレンス時間の変動は重要な要因であり、ブートストラップで緩和誤差を推定し、より高速な初期化が結果をさらに改善する。
• このアプローチは問題に依存しないもので、ゲート特性評価や量子最適化の取り組みを補完し、エラー訂正ハードウェアを必要としない。