[論文レビュー] Quantum computing hardware for HEP algorithms and sensing

M. Sohaib Alam, S. Belomestnykh+38 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2022

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 24

ひとこと要約

高エネルギー物理学(HEP)アルゴリズムのための2つの有望な超伝導量子アーキテクチャをレビューする—3Dキャビティベースのキューダイト（クートリット/キュダイト）と2Dキャビティベースのキュダイト—エンコーディング、スケーリング、インターコネクト、エラー保護、潜在的なHEP応用とセンシングについて議論。

ABSTRACT

Quantum information science harnesses the principles of quantum mechanics to realize computational algorithms with complexities vastly intractable by current computer platforms. Typical applications range from quantum chemistry to optimization problems and also include simulations for high energy physics. The recent maturing of quantum hardware has triggered preliminary explorations by several institutions (including Fermilab) of quantum hardware capable of demonstrating quantum advantage in multiple domains, from quantum computing to communications, to sensing. The Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) Center, led by Fermilab, is dedicated to providing breakthroughs in quantum computing and sensing, mediating quantum engineering and HEP based material science. The main goal of the Center is to deploy quantum systems with superior performance tailored to the algorithms used in high energy physics. In this Snowmass paper, we discuss the two most promising superconducting quantum architectures for HEP algorithms, i.e. three-level systems (qutrits) supported by transmon devices coupled to planar devices and multi-level systems (qudits with arbitrary N energy levels) supported by superconducting 3D cavities. For each architecture, we demonstrate exemplary HEP algorithms and identify the current challenges, ongoing work and future opportunities. Furthermore, we discuss the prospects and complexities of interconnecting the different architectures and individual computational nodes. Finally, we review several different strategies of error protection and correction and discuss their potential to improve the performance of the two architectures. This whitepaper seeks to reach out to the HEP community and drive progress in both HEP research and QIS hardware.

研究の動機と目的

• SQMSプログラム内でHEPアルゴリズムとセンシングに適した量子ハードウェアの開発を動機づける。
• HEPアプリケーションのための主要な2つの超伝導アーキテクチャ（3D SRFキャビティと2D平面/クートリット実装）の評価。
• HEP関連のスケーラブルな量子計算を可能にするエンコーディング方式、材料課題、およびエラー保護戦略を特定する。
• インターコネクティビティ、トランスデュース、室温インターフェース、およびコミュニティ利用可能なHEPCloudプラットフォームへの道筋を論じる。

提案手法

• Fock基底、SNAP、ECDゲートを用いたキューダイトエンコーディングのために非線形アンシラを結合したSRFキャビキャビティを用いる3D QPUアーキテクチャを説明・評価する。
• キャビティ内の普遍的なキューダイト操作のための選択的数依存任意位相（SNAP）ゲートと変位制御を説明する。
• スケーリングとモードインターコネクティビティのためのマルチモードおよびマルチセルSRFキャビティ概念を提示する。
• クートリットとボソンモードを含む2D QPU実装、多体系シミュレーションと材料損失の考慮を概説する。
• キャビティ間結合、可変結合器、およびネットワーク化された量子系の量子トランスダクション手法を論じる。
• 猫コード、ビノミアルコード、駆動-散逸安定化などのエラー保護・訂正アプローチをレビューし、それらのキューダイトエンコーディングへの適用可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HEPアルゴリズムとセンシングを実装するための実用的な超伝導ハードウェアアーキテクチャは何か（3D SRFキャビティキューダイト対2D QPU）？
• RQ2 エンコーディング方式（Fock基底、猫コード、ビノミアルコード）とゲートセット（SNAP、ECD）はHEPに関連する高次元ヒルベルト空間で普遍的制御をどのように実現できるか？
• RQ3 各アーキテクチャの主要な材料、コヒーレンス、スケーリングの課題は何か、そしてインターコネクティビティとトランスダクションはどのように実現できるか？
• RQ4 キューダイトベースのアーキテクチャに実装可能なエラー保護戦略は何か、そしてそれらがアルゴリズムの性能とリソース要件にどう影響するか？
• RQ5 専用のHEPCloudプラットフォームはHEPコミュニティに対してSQMSハードウェアへの標準化されたアクセスをどのように提供できるか？

主な発見

• 3D SRFキャビットキューダイトアーキテクチャは、Fock状態エンコーディングと非線形アンシラ結合を通じて非常に長いコヒーレンス時間と大きなヒルベルト空間を提供する。
• SNAPと変位ゲートスキームはキャビティ状態の普遍的制御を可能にし、最適制御技術によりゲート時間を大幅に短縮する。
• マルチモードおよびマルチセルのキャビティはヒルベルト空間を拡張する経路を提供するが、モード間制御と可変結合器は設計上の課題を生む。
• クートリットとボソンモードを用いた2D QPU実装はHEP関連のシミュレーションや多体物理の探求を可能にし、材料損失の考慮が設計選択を左右する。
• 猫基底、ビノミアルコード、駆動-散逸安定化などのエラー保護手法は光子損失からの保護に有望だが、積極的なキューダイト誤り訂正は依然として未解決の領域である。
• HEPCloudフレームワークは標準化されたSQMSハードウェアとリソースへのアクセスをHEPコミュニティ全体に提供するために提案されている。