[論文レビュー] SpinQ Gemini: a desktop quantum computer for education and research

Shi‐Yao Hou, Guanru Feng+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 72被引用数 5

ひとこと要約

SpinQ Gemini は、永久磁石を用いた核磁気共鳴（NMR）に基づく低価格でデスクトップサイズの常温量子コンピュータであり、量子コンピューティング教育および研究を可能にする。SpinQuasar ソフトウェアを介した実機プログラミングをサポートし、誤り低減を施した変分量子エイジェン値計算（VQE）を二量子ビットのヘイゼンベルク模型に対して実行し、理想的な結果に非常に近い基底状態エネルギーを達成した。これは、従来の量子ハードウェアコストの一部にとどまる水準で、実践的学習および量子制御研究に有効であることを裏付けている。

ABSTRACT

SpinQ Gemini is a commercial desktop quantum computer designed and manufactured by SpinQ Technology. It is an integrated hardware-software system. The first generation product with two qubits was launched in January 2020. The hardware is based on NMR spectrometer, with permanent magnets providing $\sim 1$ T magnetic field. SpinQ Gemini operates under room temperature ($0$-$30^{\circ}$C), highlighting its lightweight (55 kg with a volume of $70 imes 40 imes 80$ cm$^3$), cost-effective (under $50$k USD), and maintenance-free. SpinQ Gemini aims to provide real-device experience for quantum computing education for K-12 and at the college level. It also features quantum control design capabilities that benefit the researchers studying quantum control and quantum noise. Since its first launch, SpinQ Gemini has been shipped to institutions in Canada, Taiwan and Mainland China. This paper introduces the system of design of SpinQ Gemini, from hardware to software. We also demonstrate examples for performing quantum computing tasks on SpinQ Gemini, including one task for a variational quantum eigensolver of a two-qubit Heisenberg model. The next generations of SpinQ quantum computing devices will adopt models of more qubits, advanced control functions for researchers with comparable cost, as well as simplified models for much lower cost (under $5$k USD) for K-12 education. We believe that low-cost portable quantum computer products will facilitate hands-on experience for teaching quantum computing at all levels, well-prepare younger generations of students and researchers for the future of quantum technologies.

研究の動機と目的

• K-12および大学レベルの教育を対象とした、アクセスしやすく低コストでメンテナンスフリーな量子コンピューティングプラットフォームの開発。
• 研究者が量子制御、ノイズ解析、誤り低減の研究に役立つ実機プラットフォームを提供すること。
• 大型で高価かつ冷却が必要な量子システムの限界を克服し、常温で持ち運び可能な量子コンピューティングを可能にすること。
• パulseレベル制御による高度な研究と、低価格モデルによる簡素化された教育を両立させること。
• 安価でスケーラブルかつ使いやすいデスクトップ型のハードウェア・ソフトウェア統合により、量子コンピューティングへのアクセスを民主化すること。

提案手法

• ハードウェアは永久磁石を用いて約1 Tの磁場を生成し、超伝導磁石を代替することで冷却装置の必要性を排除している。
• システムは商業用NMR分光器プラットフォームを基盤とし、カスタムRFパルスシーケンスおよび制御エレクトロニクスを追加して量子コンピューティングに適応している。
• ソフトウェアインターフェースであるSpinQuasarは、回路設計、量子アルゴリズム実行、量子状態および測定のリアルタイム可視化を可能にしている。
• 二量子ビットのヘイゼンベルクハミルトニアンに対して、パラメトリック量子回路を用いた変分量子エイジェン値計算（VQE）が実装されている。
• 位相破壊およびCNOTゲートの誤りの影響を逆転させるために、スーパーオペレータ形式を用いた誤り低減が適用され、実験的結果の忠実度が向上した。
• ノイズはクラウス演算子表現を用いてモデル化され、シミュレートされた出力と実験的出力の比較によってノイズモデルの妥当性が検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 永久磁石を用いたデスクトップ型NMRベース量子コンピュータは、教育および研究の文脈で大規模で冷却が必要な量子システムの実用的かつ低コストな代替手段として成立するか？
• RQ2 二量子ビットNMR量子コンピュータ上で実施された実機VQE実験はどの程度の精度で実行可能であり、基底状態エネルギーにどの程度収束するか？
• RQ3 スーパーオペレータ形式に基づく誤り低減技術は、ノイジーな実機プラットフォーム上での量子回路出力の忠実度をどの程度向上させるか？
• RQ4 5,000ドル未満の低価格簡易モデルは、核となる学習目標を損なわずにK-12教育に効果的に対応できるか？
• RQ5 アクセシビリティ、使いやすさ、実験的制御の観点から、SpinQ Geminiシステムの性能特性はクラウドベースの量子プラットフォームと比べてどの程度か？

主な発見

• SpinQ Geminiシステムは、二量子ビットのヘイゼンベルクモデルに対してVQEを正常に実装し、基底状態エネルギーを約-2.98に達成した。これは理想的な値に非常に近い。
• ノイジー回路シミュレーションの結果は実験データとよく一致しており、本研究で用いられた位相破壊誤りモデルの正確性が裏付けられた。
• スーパーオペレータ形式による誤り低減は、VQE結果の忠実度を顕著に向上させ、測定エネルギーを理想的な基底状態に近づけた。
• 本システムは、常温で安定して動作し、最小限のメンテナンスとコンactな設置スペースを備えたNMRベース量子コンピュータが実現可能であることを示した。
• 本デバイスはカナダ、台湾、中国本土の複数の機関に導入され、実世界の教育的および研究的応用における実用性が確認された。
• 開発ロードマップには、3〜4量子ビットのモデルと高度な制御機能、5,000ドル未満の教育用モデルの開発が含まれており、教育機関におけるアクセス性の拡大が見込まれる。