[論文レビュー] Quantum Simulation on Noisy Superconducting Quantum Computers

Kaelyn J. Ferris, A. J. Rasmusson+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、ノイジーサブケルビン超伝導量子コンピュータ上で量子シミュレーションを実行する大学院レベルの入門を提示しており、Suzuki-Trotter分解と誤り軽減技術を用いて、不規則なタイトビンディング模型の時間発展演算を実証している。Jordan-Wigner変換によるハミルトニアン符号化から状態準備、時間発展演算、測定、ノイズ低減に至る包括的かつオープンソースのワークフローを提供し、ゼロノイズ補外と測定誤り軽減などの技術を用いて、IBMの7量子ビット ibm_lagos デバイス上で忠実度を向上させた。

ABSTRACT

Quantum simulation is a potentially powerful application of quantum computing, holding the promise to be able to emulate interesting quantum systems beyond the reach of classical computing methods. Despite such promising applications, and the increase in active research, there is little introductory literature or demonstrations of the topic at a graduate or undergraduate student level. This artificially raises the barrier to entry into the field which already has a limited workforce, both in academia and industry. Here we present an introduction to simulating quantum systems, starting with a chosen Hamiltonian, overviewing state preparation and evolution, and discussing measurement methods. We provide an example simulation by measuring the state dynamics of a tight-binding model with disorder by time evolution using the Suzuki-Trotter decomposition. Furthermore, error mitigation and noise reduction are essential to executing quantum algorithms on currently available noisy quantum computers. We discuss and demonstrate various error mitigation and circuit optimization techniques that significantly improve performance. All source code is freely available, and we encourage the reader to build upon it.

研究の動機と目的

• 量子シミュレーションの入門を容易にするために、大学院生および上級学部生向けに包括的でアクセスしやすいチュートリアルを提供すること。
• 近い将来のノイジーインターミディエートスケール量子（NISQ）デバイスにおける量子シミュレーションのための標準的で教育的リソースの不足に対処すること。
• 実際のノイジーハードウェア上で、ハミルトニアン符号化から観測量の測定に至るまで、完全な量子シミュレーションパイプラインを実証すること。
• 現在の量子プロセッサ上で顕著に忠実度を向上させる最新の誤り軽減技術を紹介すること。
• 研究コミュニティによる再現性と拡張性を確保するため、自由に利用可能でプロダクション用に適合したQiskitコードを提供すること。

提案手法

• Jordan-Wigner変換を用いてフェルミオン的タイトビンディングハミルトニアンをキュービットオペレータに符号化する。
• フォック基底におけるユニタリカップルドクラスターに類似したアンザッツまたは単一励起状態準備を用いて初期多体状態を準備する。
• Suzuki-Trotter分解を用いてハミルトニアンの指数関数をネイティブな量子ゲートのシーケンスに分解し、時間発展演算を実装する。
• 補助量子ビットと制御Zゲートを用いて、サイト占有数や時間相関関数などの観測量を測定する。
• ゼロノイズ補外、測定誤り軽減、確率的誤りキャンセリングなどの高度な誤り軽減技術を適用する。
• キュービットトポロジーのマッピングとゲートコンパイルを通じて、回路の深さとキュービット接続性を最適化し、ノイズの影響を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不規則な1次元タイトビンディング模型は、どのように効率的に超伝導量子プロセッサ上で符号化され、シミュレートされるか？
• RQ2 不規則性を有する多体系の非平衡ダイナミクスをシミュレートする際、Suzuki-Trotter分解の性能はいかほどか？
• RQ3 ゼロノイズ補外や測定誤り軽減といった誤り軽減技術は、ノイジーアルゴリズムNISQデバイス上での観測量測定の忠実度をどの程度向上できるか？
• RQ4 補助量子ビット回路は、時間相関関数や非局所的演算子の期待値といった複雑な観測量をどのように測定できるか？
• RQ5 回路最適化とゲートコンパイルは、量子シミュレーションワークフローにおけるノイズ誘発誤差を最小限に抑えるために果たす役割は何か？

主な発見

• 不規則なタイトビンディング鎖に単一の欠陥を含むシミュレーションが、Qiskitを用いてIBMの7量子ビット ibm_lagos プロセッサ上で正常に実行された。
• ゼロノイズ補外により、誤り軽減なしの結果と比較して、サイト占有数の時間発展演算における誤差が最大2.5倍まで低減された。
• 測定誤り軽減により、読み出し誤りが顕著に低減され、局所的観測量の期待値推定の正確性が向上した。
• 補助量子ビット回路により、高忠実度で時間相関関数を測定可能であり、動的相関の抽出にスケーラブルな手法を示した。
• 回路最適化、誤り軽減、および適応的パrameterチューニングの組み合わせにより、不規則鎖における局在化効果の信頼性ある観測が可能になった。
• オープンソースのJupyterノートブック実装により、直接再現可能であり、より複雑な系、例えば高次元モデルやより大きなヒルベルト空間への拡張が容易になった。