[論文レビュー] Noise-assisted digital quantum simulation of open systems

José D. Guimarães, James B.P. Lim+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 80被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、NISQデバイスに内在するノイズを活用して、より効率的にオープン量子系をシミュレートするノイズ補助型デジタル量子シミュレーションフレームワークを提案する。ランダム化コンパイリングとパウリエラー補正を組み合わせることで、デ coherent ノイズのデコherence率を制御し、実機およびエミュレートされたIBM Quantumデバイス上で、古典的Lindblad方程式の解と良好な一致を示す、正確なオープン系ダイナミクスのシミュレーションを実現した。

ABSTRACT

Quantum systems are inherently open and susceptible to environmental noise, which can have both detrimental and beneficial effects on their dynamics. This phenomenon has been observed in bio-molecular systems, where noise enables novel functionalities, making the simulation of their dynamics a crucial target for digital and analog quantum simulation. Nevertheless, the computational capabilities of current quantum devices are often limited due to their inherent noise. In this work, we present a novel approach that capitalizes on the intrinsic noise of quantum devices to reduce the computational resources required for simulating open quantum systems. Our approach combines quantum noise characterization methods with quantum error mitigation techniques, enabling us to manipulate and control the intrinsic noise in a quantum circuit. Specifically, we selectively enhance or reduce decoherence rates in the quantum circuit to achieve the desired simulation of open system dynamics. We provide a detailed description of our methods and report on the results of noise characterization and quantum error mitigation experiments conducted on both real and emulated IBM Quantum computers. Additionally, we estimate the experimental resource requirements for our techniques. Our approach holds the potential to unlock new simulation techniques in Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) devices, harnessing their intrinsic noise to enhance quantum computations.

研究の動機と目的

• ノイズの多い中規模量子（NISQ）デバイス上でオープン量子系をシミュレートする課題に対処すること、ここで標準的なエラー訂正は現実的ではない。
• デバイスに内在するノイズが、量子シミュレーションにおける障害ではなく、リソースとして活用可能かどうかを検討すること。
• 量子回路におけるデコherence率を正確に制御できる手法を開発し、望ましいオープン系ダイナミクスをシミュレートすること。
• 実機およびエミュレートされたIBM Quantumハードウェア上で、ノイズ制御型量子シミュレーションの実現可能性を示すこと。

提案手法

• ランダム化コンパイリングを用いて、コherentノイズを確率的パウリノイズに変換し、パウリエラー補正（PEM）スキームによる効率的なエラー補正を可能にする。
• 異なる確率的パウリチャネルに非一様な補正係数を適用することで、量子回路内のデコherence率の選択的増幅または低減を可能にする。
• 1次トレーター＝スズキ分解を用いて、4キュービット系におけるLindbladianマスタ一方程式に従う時間発展をシミュレートする。
• ノイズの特性評価を実機およびエミュレートされたIBM Quantumデバイス（例：ibmq lagos）で実施し、Lindblad方程式の古典的シミュレーション結果と照合する。
• 確率的エラーキャンセリング（PEC）法を用いることで、確率的パウリチャネルは効率的にキャンセル可能であり、制御に適しているという事実を活用する。
• 回路をコンパイルする際、追加されたパウリストリングを単一キュービットゲートに統合することで、回路構造を保持しつつノイズの操作を可能にする。

Figure 1: Overview of the noise-assisted technique for digital quantum simulation of open system dynamics proposed in this work. The $k$ -th order Trotter-Suzuki decomposition of a time-evolution operator ${\rm exp}(-i\hat{H}t)$ is implemented on a quantum circuit for a given open-system Hamiltonian

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NISQデバイスに内在するノイズを、オープン量子系ダイナミクスのより効率的なシミュレーションのために体系的に制御可能か。
• RQ2 ランダム化コンパイリングとパウリエラー補正を組み合わせることで、量子回路内のデコherence率をどの程度までターゲティング制御できるか。
• RQ3 ノイズ補助シミュレーションは、古典的解と比較して、オープン系のダイナミクスをどの程度正確に再現できるか。
• RQ4 現在の量子ハードウェア上でノイズ制御型量子シミュレーションを実装するために、どの程度の実験的リソースが必要か。

主な発見

• 4キュービットのオープン系に対する量子シミュレーション結果は、対応するLindblad方程式の古典的解と、特に縮約2キュービット密度行列の状態分布ダイナミクスにおいて良好な定性的一致を示した。
• 非一様な補正係数（r_k = 0.5 で主要なデコherenceチャネル、r_k' = 0.1 で弱いチャネル）を用いることで、デコherence率の効果的な制御が可能であった。
• ランダム化コンパイリングにより、コherentノイズが確率的パウリノイズに効果的に変換され、PECを用いた効率的なエラー補正が可能になった。
• 実機およびエミュレートされたIBM Quantumデバイスでの実験により、ノイズ補助シミュレーションが現実のNISQ制約下でも実現可能かつ正確であることが示された。
• PECプロトコルにおいてたった90C_tot^2の回路で、オープン系ダイナミクスの正確なシミュレーションが達成されたことから、リソースのオーバーヘッドが非常に低いことが示された。

Figure 2: (a) Error probabilities $\epsilon_{k}$ of stochastic Pauli noise channels estimated for a quantum circuit consisting of two qubits ( $n=2$ ) are shown where the real device ibmq jakarta with a circuit structure shown in Fig. 3 (a) was employed. The error probabilities of single-qubit noise