[論文レビュー] Real-time dynamics of Plaquette Models using NISQ Hardware

Emilie Huffman, Miguel García Vera+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、スーパーコンダクティングIBM Q量子ハードウェア上で、$π_2$および$U(1)$プラケットモデルのリアルタイムダイナミクスシミュレーションを実現し、Mitiqパッケージを用いた回路折りたたみによるエラー低減法を用いてデ coherent 現象を是正した。ハードウェアの制限にもかかわらず、リターン確率や保存電荷といった測定可能な物理的観測量を達成し、格子規範理論のスケーラブルな量子シミュレーション戦略に関する知見を提供している。

ABSTRACT

Practical quantum computing holds clear promise in addressing problems not generally tractable with classical simulation techniques, and some key physically interesting applications are those of real-time dynamics in strongly coupled lattice gauge theories. In this article, we benchmark real-time dynamics of $\mathbb{Z}_2$ and $U(1)$ gauge invariant plaquette models using superconducting-qubit based quantum IBM Q computers. We design quantum circuits for models of increasing complexity and measure physical observables such as the return probability to the initial state, and locally conserved charges. Even though the quantum hardware suffers from decoherence, we demonstrate the use of error mitigation techniques, such as circuit folding methods implemented via the Mitiq package, and show what they can achieve within the quantum volume restrictions for the IBM Q quantum computers. Our study provides insight into the choice of quantum hardware topologies, construction of circuits, and the utility of error mitigation methods to devise large-scale quantum computation strategies for lattice gauge theories.

研究の動機と目的

• 近い将来の量子ハードウェアを用いた強い相関を持つ格子規範理論におけるリアルタイムダイナミクスのシミュレーション可能性を調査すること。
• ノイジィな中規模量子（NISQ）デバイスにおけるエラー低減技術、特に回路折りたたみの性能を評価すること。
• 量子ハードウェアのトポロジーと回路設計が、プラケットモデルにおける保存電荷およびリターン確率のシミュレーション精度に与える影響を評価すること。
• 現在の量子コンピュータ上で格子規範理論の量子シミュレーションをスケーリングアップするための実用的ガイドラインを提供すること。

提案手法

• 超伝導キュービットアーキテクチャ上で、複雑度を高めた$π_2$および$U(1)$ゲージ不変プラケットモデルのための量子回路を設計すること。
• Mitiqパッケージを用いて回路折りたたみをエラー低減技術として実装し、ノイジィな量子回路におけるデ coherent 効果を低減すること。
• 初期状態へのリターン確率や局所的に保存される電荷といった物理的観測量を、IBM Qデバイス上で測定すること。
• シミュレーションの忠実度と観測量の正確さに与える量子ボリュームおよびハードウェアトポロジーの影響を分析すること。
• 異なる回路レイアウトとエラー低減戦略の間で結果を比較し、耐障害性とスケーラビリティを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のNISQ時代の量子プロセッサ上で、$π_2$および$U(1)$プラケットモデルのリアルタイムダイナミクスを信頼性高くシミュレートできるか？
• RQ2 デ coherent 効果下でも、回路折りたたみに基づくエラー低減技術が観測量の正確さを保つのにどの程度有効か？
• RQ3 量子ハードウェアのトポロジーは、格子規範理論のシミュレーション忠実度にどのような役割を果たすか？
• RQ4 回路設計の選択が、保存電荷およびリターン確率の測定にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 本研究では、デ coherent 効果にもかかわらず、IBM Qハードウェア上で$π_2$および$U(1)$プラケットモデルのリターン確率と局所的に保存される電荷を測定することに成功した。
• Mitiqパッケージによる回路折りたたみにより、観測量の忠実度が向上し、近い将来のシミュレーションにおけるエラー低減の有効性が示された。
• ハードウェアトポロジーと回路レイアウトは、シミュレーションの正確さに顕著な影響を与えることが分かった。これにより、スケーラブルな量子シミュレーションのための設計上のトレードオフが浮き彫りになった。
• 結果として得られた知見は、現在の量子ハードウェア上で格子規範理論のフォールトトレランス量子計算戦略を構築するための実用的洞察を提供している。