[論文レビュー] Quantum Instruction Set Design for Performance

Cupjin Huang, Tenghui Wang+11 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 26

ひとこと要約

本論文はSQiSW、iSWAPの平方根を高忠実度の2量子ビットゲートとして導入し、fluxoniumプロセッサ上でより優れた量子命令セット設計とコンパイル効率を実現することを示し、検証済みの iFRB ベンチマークにより iSWAP と比べて誤り率が低いことが確認される。

ABSTRACT

A quantum instruction set is where quantum hardware and software meet. We develop new characterization and compilation techniques for non-Clifford gates to accurately evaluate different quantum instruction set designs. We specifically apply them to our fluxonium processor that supports mainstream instruction $\mathrm{iSWAP}$ by calibrating and characterizing its square root $\mathrm{SQiSW}$. We measure a gate fidelity of up to $99.72\%$ with an average of $99.31\%$ and realize Haar random two-qubit gates using $\mathrm{SQiSW}$ with an average fidelity of $96.38\%$. This is an average error reduction of $41\%$ for the former and a $50\%$ reduction for the latter compared to using $\mathrm{iSWAP}$ on the same processor. This shows designing the quantum instruction set consisting of $\mathrm{SQiSW}$ and single-qubit gates on such platforms leads to a performance boost at almost no cost.

研究の動機と目的

• superconducting プロセッサの2量子ビットゲートをCNOTおよびiSWAPを超える視点で再評価する。
• Haar-Random ゲート集合を用いた非クリフォードゲートの新しい特徴付けとベンチマーク方法を開発・適用する。
• fluxonium プロセッサ上でSQiSWゲートを実 Experimentalに実装・較正し、その性能を iSWAP と比較する。
• SQiSWの任意2-qubitゲートに対するコンパイル効率の利点を証明し、潜在的な誤り削減を定量化する。
• ハードウェアネイティブゲート設計における非クリフォードゲート評価のための一般的なベンチマークフレームワーク(iFRB)を提案する。

提案手法

• XY相互作用ファミリ内の行列平方根としてSQiSWゲートを定義する。
• KAK分解を用いて2量子ビットゲートを分類し、任意の2量子ビットゲートに対して2回または3回のSQiSWゲートで十分である条件を決定する。
• 任意の2量子ビットゲートに対するSQiSW使用を最小化する明示的なコンパイル方式を導出する。
• キャパシティブ結合と g/2π ≈ 11.2 MHzを用いて fluxonium プロセッサ上でSQiSWとiSWAPを較正・実現し、ゲート時間をSQiSWが24.6 ns、iSWAPが48.5 nsとする。
• 非クリフォードゲートのインタリーブ型完全乱択ベンチマーク(iFRB)を開発し、 Haar-random SU(4)ゲート上の完全乱択ベンチマーク(FRB)と比較する。
• 単一量子ビットゲートをPMW-3パルスで表現し高忠実度を達成し、全体的な2量子ビットベンチマークを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SQiSWは超伝導プラットフォーム上の2量子ビットゲートにおいてiSWAPより低誤差と良好なコンパイル効率を提供できるか。
• RQ2 任意の2量子ビットゲートに対するSQiSWの正確なコンパイル能力はどの程度で、2回のSQiSWゲートで賄えるか。
• RQ3 CliffordRBが適用不能な場合、非クリフォードゲートを効果的にベンチマークするにはどうすればよいか。
• RQ4 fluxonium上でSQiSWを実装すると、 Haar-random および Clifford様のゲート群で測定可能な忠実度の改善が得られるか。
• RQ5 iSWAPをSQiSWに置換した場合の Haar-random 2量子ビットゲートのinfidelity に及ぼす影響はどの程度か。

主な発見

Table 1: Haar/random gate compilation efficiency comparison	Table 2: Benchmarking fidelities for SQiSW and iSWAP
L_H	2.21	3	3
L_C	1.95	1.5	1.5
SQiSW	iFRB	99.31±0.50%	6.851×10^-3
FRB	FRB	96.38±0.98%	3.615×10^-2
iSWAP	iFRB	98.84±0.51%	11.63×10^-3
iRB	iRB	98.88±0.44%	11.15×10^-3
FRB	FRB	92.74±2.17%	7.265×10^-2

• SQiSWはゲート忠実度が最大99.72%（平均99.31%）に達し、iFRBベンチマークでiSWAPを約41%上回る。
• Haar-random 2-qubitゲートはSQiSWで平均忠実度96.38%、iSWAPと比べて誤差を50%削減。
• 2量子ビットゲートは最大3回のSQiSW使用で実現可能で、Haar測度下では2回のみで実現可能なゲートが79%。
• SQiSWを用いると2量子ビット Haar-randomゲートのinfidelityは約63%削減（ランダムCliffordゲートでは約35%）が期待され、SQiSWの誤差はiSWAPの半分と仮定。
• 電荷結合型fluxoniumプロセッサ上で実験的に示され、SQiSWのゲート時間は約24.6 ns、iSWAPは約48.5 nsで、デコヒーレンスへの暴露を短縮。