[論文レビュー] Superconducting Quantum Computing: A Review

He-Liang Huang, Dachao Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 180被引用数 7

ひとこと要約

このレビューは、超伝導量子コンピューティングの包括的な概要を提供し、キュービット設計、量子制御、読み取り技術、エラー訂正、および量子アルゴリズムの進展を詳述している。2019年の53キュービットSycamoreプロセッサを用いた量子優位性の実証は、スケーラブルな量子コンピューティングにおける画期的な出来事とされている。

ABSTRACT

Over the last two decades, tremendous advances have been made for constructing large-scale quantum computers. In particular, the quantum processor architecture based on superconducting qubits has become the leading candidate for scalable quantum computing platform, and the milestone of demonstrating quantum supremacy was first achieved using 53 superconducting qubits in 2019. In this work, we provide a brief review on the experimental efforts towards building a large-scale superconducting quantum computer, including qubit design, quantum control, readout techniques, and the implementations of error correction and quantum algorithms. Besides the state of the art, we finally discuss future perspectives, and which we hope will motivate further research.

研究の動機と目的

• 大規模な超伝導量子コンピューティングにおける最近の実験的進展を要約すること。
• キュービット設計、制御、読み取りを含む、超伝導量子プロセッサの主要な構成要素を分析すること。
• 近い将来のデバイスにおける量子エラー訂正の進展および量子アルゴリズムの実装を評価すること。
• スケーラブルでフェイルセーフな量子コンピューティングのための未解決の課題と今後の方向性を特定すること。
• 超伝導プラットフォームが実用的な量子優位性を達成する可能性を評価すること。

提案手法

• 1999年から2020年までの超伝導キュービットにおける実験的進展の体系的レビュー。コherenecy、ゲート忠実度、スケーラビリティに焦点を当てる。
• 超伝導量子ハードウェアのパフォーマンスを評価する基準としてのDiVincenzoの基準の分析。
• 超伝導キュービットの種別（トランスモン、フラックスン、エニオン）とそれらのコherenecy時間の変化の検討。
• マイクロ波パルスおよびマルチキュービット操作におけるクロストークの低減を含む、量子制御技術のレビュー。
• 分散測定およびレゾネータベースの状態識別を用いた読み取り手法の評価。
• 超伝導プロセッサ上でのサーフェスコード、サーフェスコード論理キュービット、およびバリエーショナル量子アルゴリズムの実験的実装の調査。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2000年から2019年までの超伝導量子コンピューティングにおける主な実験的マイルストーンは何か？
• RQ2 超伝導アーキテクチャーにおいて、キュービットのコherenecy時間、ゲート忠実度、接続性はどのように向上したか？
• RQ3 Sycamoreプロセッサは、量子優位性をどのように実証したか？
• RQ4 VQE や量子ジェネレーティブモデルなどの近い将来の量子アルゴリズムは、超伝導ハードウェア上でどれほど効果的か？
• RQ5 フェイルセーフで大規模な量子計算を達成するための残された課題は何か？

主な発見

• 53キュービットSycamoreプロセッサは、予測された総忠実度0.2％を伴うランダム回路サンプリングを実行し、古典的コンピュータでは不可能なタスクを実行することで、量子優位性を達成した。
• 5キュービットの超伝導システムで2キュービットゲート忠実度が99.4％に達し、サーフェスコードベースのフェイルセーフな計算への進展が可能になった。
• バリエーショナル量子アルゴリズム（教師あり学習および量子ジェネレーティブ対抗ネットワーク（GANs）など）が超伝導プロセッサ上で成功裏に実装され、GANsは古典モデルと同等の実世界の手書き数字を生成した。
• エラー訂正実験では、サーフェスコードを用いた論理キュービットの符号化が実現され、論理エラー率が物理エラー率を下回る結果となり、フェイルセーフへの進展が示された。
• 高忠実度の2キュービットゲートおよびクロステイクの低減により、1,543ゲートを含む深さ20の量子回路が実現され、量子優位性の実現に不可欠な要因となった。
• 進展は見られたが、キュービットのコherenecy、ゲート忠実度、接続性の向上、実用的な量子優位性の応用分野の同定という課題は依然として残っている。