[論文レビュー] Faster and More Reliable Quantum SWAPs via Native Gates

Pranav Gokhale, Teague Tomesh+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、IBMハードウェア上で速度と忠実度を向上させるために、ネイティブな超伝導キュービットゲートを用いた最適化された量子SWAPゲートを提案している。4つの技術—SWAP方向性、クロスゲートパルスキャンセリング、クロスレゾネンスによる非可換性の除去、クロスレゾネンス極性の調整—を適用することで、SWAPゲートの持続時間を11%短縮し、忠実度を13%向上させた。キャリブレーションのオーバーヘッドは発生せず、アプリケーションベンチマークでは成功確率が10–40%向上した。

ABSTRACT

Due to the sparse connectivity of superconducting quantum computers, qubit communication via SWAP gates accounts for the vast majority of overhead in quantum programs. We introduce a method for improving the speed and reliability of SWAPs at the level of the superconducting hardware's native gateset. Our method relies on four techniques: 1) SWAP Orientation, 2) Cross-Gate Pulse Cancellation, 3) Commutation through Cross-Resonance, and 4) Cross-Resonance Polarity. Importantly, our Optimized SWAP is bootstrapped from the pre-calibrated gates, and therefore incurs zero calibration overhead. We experimentally evaluate our optimizations with Qiskit Pulse on IBM hardware. Our Optimized SWAP is 11% faster and 13% more reliable than the Standard SWAP. We also experimentally validate our optimizations on application-level benchmarks. Due to (a) the multiplicatively compounding gains from improved SWAPs and (b) the frequency of SWAPs, we observe typical improvements in success probability of 10-40%. The Optimized SWAP is available through the SuperstaQ platform.

研究の動機と目的

• 超伝導量子プロセッサにおける疎なキュービット接続性が原因で生じるSWAPゲートによる性能ボトルネックを軽減すること。
• 標準的な回路レベルの抽象化を避けて、ネイティブゲートレベルでSWAPゲートの速度と忠実度を向上させること。
• 事前にキャリブレーションされたネイティブゲートを活用することで、追加のキャリブレーションオーバーヘッドなしに改善を達成すること。
• ランダム化ベンチマークとアプリケーションレベルのベンチマークを用いて、実際のIBM Quantumハードウェア上でこの手法を実験的に検証すること。
• 最適化されたキュービット通信のおかげで、実世界の量子アプリケーションにおける忠実度の乗法的向上を示すこと。

提案手法

• ネイティブゲートの特性に基づき、より速く信頼性の高いCNOT-NOTC-CNOTまたはNOTC-CNOT-NOTC分解を選択するためのSWAP方向性を適用する。
• 制御キュービットとターゲットキュービット間の不要な共鳴相互作用をキャンセルすることで、クロストークと漏れを抑制するクロスゲートパルスキャンセリングを用いる。
• 非隣接の操作が可換になるようにゲートシーケンスを再構成することで、誤差に敏感な相互作用を低減するクロスレゾネンスによる非可換性の除去を実装する。
• ゲート位相を一致させ、残留もつれを低減することで、ゲート忠実度を向上させるためにクロスレゾネンス極性を調整する。
• 事前にキャリブレーションされたネイティブゲートから構築することで、キャリブレーションオーバーヘッドをゼロに保つ最適化されたSWAPを構築する。
• 22個のキュービットペアについて、IBMQ JohannesburgでインタLeaveドランダム化ベンチマーク（IRB）を実行し、ゲート誤差率を測定することで、この手法を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネイティブゲートレベルでの最適化により、キャリブレーションのオーバーヘッドなしにSWAPゲートの持続時間を短縮し、忠実度を向上させられるか？
• RQ2 クロストークと残留もつれはSWAPゲートの性能にどのように影響するのか？ また、パルスレベルの設計によってこれらを緩和できるか？
• RQ3 最適化されたSWAPは、実際の量子プログラムにおけるエンドツーエンドのアプリケーション成功確率をどの程度向上させるか？
• RQ4 高い通信負荷が関与する複数の操作において、改善されたSWAPの利点が乗法的に蓄積されるか？
• RQ5 多様なキュービットペアにおいて、最適化SWAPは標準SWAPと比較して誤差率と信頼性の面でどのように異なるか？

主な発見

• 最適化SWAPは、標準SWAPより11%高速で、IBMQ Casablancaで3968 dt（882 ns）の持続時間であるのに対し、標準SWAPは4448 dt（988 ns）である。
• インタLeaveドランダム化ベンチマークによる測定で、最適化SWAPは標準SWAPより13%高い忠実度を達成した。
• IBMQ Johannesburgの22個のキュービットペアにおいて、最適化SWAPは成功確率の減衰率において常に標準SWAPを上回った。
• アプリケーションレベルのベンチマークでは、より速く信頼性の高いSWAPのおかげで、成功確率が10–40%向上した。
• 事前にキャリブレーションされたネイティブゲートを基盤としているため、キャリブレーションのオーバーヘッドはゼロである。
• 最適化SWAPはSuperstaQプラットフォームを通じて、量子プログラムへの直接利用が可能である。