[論文レビュー] Stability of noisy quantum computing devices

Samudra Dasgupta, Travis S. Humble|arXiv (Cornell University)|May 20, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 33被引用数 19

ひとこと要約

この論文は、ゲート fidelity、デューティーサイクル、アドレスラビリティの主要なパフォーマンス指標における揺らぎをヘルンダーバー距離を用いて定量化することにより、ノイズが多く中規模の量子（NISQ）デバイスの時間的・空間的安定性を評価するフレームワークを提案している。22か月間にわたるデータから、これらの指標に顕著な時間的・空間的変動が見られ、現在のNISQデバイスは短時間スケールを越えては信頼できず、量子計算の結果の再現性を損なっていることが示された。

ABSTRACT

Noisy, intermediate-scale quantum (NISQ) computing devices offer opportunities to test the principles of quantum computing but are prone to errors arising from various sources of noise. Fluctuations in the noise itself lead to unstable devices that undermine the reproducibility of NISQ results. Here we characterize the reliability of NISQ devices by quantifying the stability of essential performance metrics. Using the Hellinger distance, we quantify the similarity between experimental characterizations of several NISQ devices by comparing gate fidelities, duty cycles, and register addressability across temporal and spatial scales. Our observations collected over 22 months reveal large fluctuations in each metric that underscore the limited scales on which current NISQ devices may be considered reliable.

研究の動機と目的

• 時間的・空間的変動による不安定なデバイス動作が引き起こす、NISQ量子計算における再現性の問題という重要な課題に対処すること。
• 許容誤差内での時間的・空間的スケールにおける一貫性あるパフォーマンスとして、デバイスの安定性を定義・定量化すること。
• DiVincenzoの量子計算基準に整合する指標を用いて、現在のNISQデバイスの信頼性を評価すること。
• 測定可能なデバイス性能の揺らぎに基づいて、実験的量子計算における再現性の限界を特定すること。
• 長期的なベンチマークと検証を支援する統計的フレームワークとしてのデバイス安定性評価法を提供すること。

提案手法

• 時間的・空間的スケールにおけるパフォーマンス指標の確率分布を比較することで、デバイス安定性をヘルンダーバー距離を用いて定量化する。
• 2キュービットのクラッカー群に対するランダム化ベンチマークを用いてゲート fidelity を測定し、1ゲートあたりの誤差を推定し、$ F_G = 1 - \epsilon_G $ を計算する。
• デューティーサイクル $ \tau = T_2 / T_G $ を計算する。ここで $ T_2 $ は平均デ coherent 時間、$ T_G $ はゲート時間である。
• レジスタアドレスラビリティを、正規化された相互情報量 $ \eta $ を用いて評価し、エンタングルドまたは分離状態のフィducial状態から得られる fidelitity $ F_A $ を導出する。
• 時間的安定性分析のため、1か月のスライディングウインドウを用いて走査的ヘルンダーバー距離を計算する。
• 22か月間にわたってIBMの yorktown および toronto デバイスからデータを収集・分析し、複数の指標における安定性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NISQデバイスにおける時間的・空間的変動として、ゲート fidelity、デューティーサイクル、アドレスラビリティといった主要パフォーマンス指標は、どのように変動するか？
• RQ2 デバイスパラメータの時間的・空間的変動が、量子計算ベンチマークの再現性をどの程度損なうか？
• RQ3 ヘルンダーバー距離は、異なる時間窓および空間領域におけるパフォーマンス分布の類似性を効果的に定量化できるか？
• RQ4 観測された指標の揺らぎに基づいて、現在のNISQデバイスの実用的信頼性の限界は何か？
• RQ5 初期化 fidelity、ゲート fidelity、アドレスラビリティの変動は、異なるキュービットペア間でどのように相関しているか？

主な発見

• yorktownデバイスのCNOTゲート（キュービットペア0,1）では、時間的変動が顕著であり、ヘルンダーバー距離が時間経過に伴う分布の著しいシフトを示した。
• torontoデバイスにおけるアドレスラビリティはキュービットペアごとに大きくばらついており、ペア(23,21)で最小の0.8875、ペア(11,13)で最大の0.9989を記録しており、キュービット結合の不均一性が顕著であった。
• ヘルンダーバー距離は、指標間での安定性の差を明確に示し、デューティーサイクルが最も顕著な時間的変動を示した。
• ゲート fidelity および初期化 fidelity の揺らぎは、特に非近隣キュービットペアにおいてアドレスラビリティの変動と相関していた。
• 本研究では、現在のNISQデバイスが短時間スケールを越えては信頼できない性能を示しており、実験的結果の再現性が制限されていることが判明した。
• 即時のキャリブレーションを行ったとしても、デコherence 時間やゲート時間といったデバイスパラメータに顕著な変動が見られ、長期的な一貫性が損なわれている。