[論文レビュー] Non-Markovian memory in IBMQX4

Joshua Morris, Felix A. Pollock+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、IBMQX4における非マルコフ的記憶効果を、直前の操作に依存する条件付きゲート性能の分析によって実証・定量している。全ユニバーサルゲートにわたる顕著な時間的相関が明らかとなり、記憶長および記憶容量が推定され、内在的なノイズにもかかわらず、非マルコフ的性を考慮に入れることで、よりクリーンで正確な量子計算が可能になることが示唆されている。

ABSTRACT

We measure and quantify non-Markovian effects in IBM's Quantum Experience. Specifically, we analyze the temporal correlations in a sequence of gates by characterizing the performance of a gate conditioned on the gate that preceded it. With this method, we estimate (i) the size of fluctuations in the performance of a gate, i.e., errors due to non-Markovianity; (ii) the length of the memory; and (iii) the total size of the memory. Our results strongly indicate the presence of non-trivial non-Markovian effects in almost all gates in the universal set. However, based on our findings, we discuss the potential for cleaner computation by adequately accounting the non-Markovian nature of the machine.

研究の動機と目的

• 実世界の超伝導量子プロセッサ、特にIBMQX4における非マルコフ的効果を検出および定量すること。
• ゲート性能が直前の操作にどのように依存するかを特定することで、系・環境相互作用における記憶効果を示すこと。
• 量子プロセッサ内の非マルコフ的相関のサイズ、長さ、および総記憶容量を推定すること。
• 非マルコフ的ノイズが量子エラー補正およびベンチマークプロトコルに与える影響を評価すること。
• 記憶を考慮したパルスシーケンス設計を通じて、非マルコフ的ノイズを軽減する戦略を提案すること。

提案手法

• 最初のゲートの種別に応じて、2つのゲートを連続して適用し、2番目のゲートの性能を分析することで、条件付きゲートの忠実度を測定する。
• 状態準備および測定（SPAM）誤差を考慮に入れた各ゲートの有効な量子チャネルを再構築するために、量子プロセストモグラフィーを用いる。
• 摂動的誤差モデルを適用して、SPAMに起因する誤差と本質的な非マルコフ的効果を分離し、後者が支配的であることを示す。
• パウリ基底回転を用いた二重状態トモグラフィー枠組みにより、IBMQX4におけるZ基底測定からプロセス行列を再構築する。
• 直前のゲート履歴に条件づけられたゲート性能のずれを分析することで、忠実度に基づく誤差指標を用いて非マルコフ的性を定量する。
• CNOTゲートのシーケンスにおける相関を分析することで、記憶長および総記憶サイズを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IBMQX4におけるゲート誤差は、直前のゲートの種別にどの程度依存するか。これは非マルコフ的記憶を示唆する。
• RQ2 IBMQX4プロセッサにおける非マルコフ的相関の特徴的な時間スケール（記憶長）は何か。
• RQ3 非マルコフ的効果に寄与する総記憶容量（ゲート数としての単位）はどの程度か。
• RQ4 近い将来の量子ハードウェアにおいて、非マルコフ的ノイズはSPAM誤差や他の標準的ノイズ源と区別可能か。
• RQ5 非マルコフ的構造は、ノイズを軽減するより良いパルスシーケンスの設計に活用可能か。

主な発見

• 非マルコフ的効果は、IBMQX4のユニバーサルゲートセットのほぼすべてのゲートに顕著に存在しており、条件付きゲート性能の変動によって裏付けられている。
• システムの記憶長は数個のゲート操作のオーダーであると推定され、短期的な時間的相関を示している。
• 総記憶容量は非自明であり、複数の連続するゲートにわたり測定可能な相関が持続していることが判明した。
• SPAM誤差は小さく、観察された非マルコフ的効果を説明する要因ではないことが示され、本質的な系・環境記憶に起因することが確認された。
• 非マルコフ的性の存在は、マルコフ的ノイズを仮定している標準的なランダム化ベンチマークおよびゲートセットトモグラフィーの仮定を無効にしている。
• 今後の量子制御戦略は、非マルコフ的記憶を明示的に考慮することで、ゲート忠実度および計算の正確性を向上させなければならないことが示唆された。