[論文レビュー] Quantum-classical processing and benchmarking at the pulse-level

Lior Ella, Lorenzo Leandro+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 7

ひとこと要約

論文はパルスレベルの量子古典処理（QCP）を定義し、その要件を分類し、ユースケースを提示し、量子コントローラを評価するためのベンチマークスイートとパルスレベルのプログラミング手法を提案する。

ABSTRACT

Towards the practical use of quantum computers in the NISQ era, as well as the realization of fault-tolerant quantum computers that utilize quantum error correction codes, pressing needs have emerged for the control hardware and software platforms. In particular, a clear demand has arisen for platforms that allow classical processing to be integrated with quantum processing. While recent works discuss the requirements for such quantum-classical processing integration that is formulated at the gate-level, pulse-level discussions are lacking and are critically important. Moreover, defining concrete performance benchmarks for the control system at the pulse-level is key to the necessary quantum-classical integration. In this work, we categorize the requirements for quantum-classical processing at the pulse-level, demonstrate these requirements with a variety of use cases, including recently published works, and propose well-defined performance benchmarks for quantum control systems. We utilize a comprehensive pulse-level language that allows embedding universal classical processing in the quantum program and hence allows for a general formulation of benchmarks. We expect the metrics defined in this work to form a solid basis to continue to push the boundaries of quantum computing via control systems, bridging the gap between low-level and application-level implementations with relevant metrics.

研究の動機と目的

• パルスレベルでQCPを定義・分類し、NISQおよびフォールトトレラント量子計算における重要性を動機づける。
• 独立したQPUの特性に依らない統一的なベンチマーキングフレームワークを提案する。
• 異なるフィードバックタイプとレイテンシカテゴリ（QRT、SRT、NRT）を特定し、コヒーレンスとドリフト時間スケールに関連づける。
• 制御フロー、条件操作、およびパラメータ更新を跨るユースケースを示し、実践的QCP要件を説明する。
• ベンチマークのための時間決定性を保証するQ UAを用いたパルスレベルのプログラミングアプローチを提供する。

提案手法

• QCPの二次元分類法を導入する：フィードバックタイプ（条件操作、制御フロー、パラメータ更新）とフィードバックレイテンシカテゴリ（QRT、SRT、NRT）。
• QRT/SRT/NRTのタイミング定義を量子ビットのコヒーレンス時間、ドリフト時間スケール、操作時間に基づいて設定し、ベンチマーク動機を明確化する。
• コントローラの性能を分離するための包括的なパルスレベルベンチマークセット（BM1.1、BM1.2、BM1.3）とバリエーションを記述する。
• 同時に量子操作と古典的処理を厳密なタイミングとデータストリーミングで表現できるように、パルスレベルプログラミング言語としてQUAを採用する。
• 測定から出力パルスまでの入力/出力の測定方法を詳細に説明し、コントローラベンチマークの重要な指標とする。
• 例示コードスニペットを用いてベンチマークを具体化し、実際のユースケース（例：アクティブリセット、反復位相推定）への適用を論じる。

Figure 1: Examples of required functionalities and use cases that the ideal quantum controller should support, divided onto two conceptual dimensions: feedback types and timing regime for such feedback to be useful.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NISQおよびフォールトトレラント文脈における効果的な量子古典処理（QCP）に必要なパルスレベル要件は何か。
• RQ2 QCPのレイテンシをコヒーレンス、ドリフト、回路時間スケール（QRT、SRT、NRT）に対してどのように分類すべきか。
• RQ3 QRTとSRTのユースケースを横断して量子コントローラを公正に比較できるベンチマークスイートとプログラミングアプローチは何か。
• RQ4 Q UAを介したパルスレベルプログラミングは、決定論的タイミング、条件操作、およびパラメトリック更新をQCPでどう表現できるか。
• RQ5 パルスレベルの制御と古典処理の相互作用を示す具体的なユースケースは何か。

主な発見

• QCPの明確な分類法が確立され、フィードバックタイプ（条件操作、制御フロー、パラメータ更新）とレイテンシカテゴリ（QRT、SRT、NRT）を分離した。
• 単発QRTシナリオを含む、条件操作、制御フロー、パラメトリック更新を含むコントローラ性能を測定するパルスレベルベンチマークスイート（BM1.1–BM1.3）を提案。
• レイテンシ指標は、最後の従属測定をサンプリングして最初の従属出力パルスが生じるまでの時間として定義され、コントローラとQPU間のインターフェースが明確に規定されている。
• QPU非依存のベンチマークが記述され、ハードウェア特性に依存せず、コンポーネントを分離してコントローラを比較し、パルスレベルQCPのエンドツーエンド評価を可能にする。
• 実用的なデモと例示コード（QUA）により、QCPをパルスレベルプログラムに組み込み、厳密なタイミングとリアルタイムまたはほぼリアルタイム処理のための古典結果のストリーミングを可能にする方法を示す。

Figure 2: Rabi oscillations discretized into $\pi/2$ rotations and repeated 10 times to observe instability, with feedback-based re-calibration of the Rabi rate either not applied a) or applied b) . The Rabi rate corrections are performed in system-real-time using the OPX+ [ 22 ] . Figure courtesy o