[論文レビュー] Towards ultra-high fidelity quantum operations: SQiSW gate as a native two-qubit gate

Cupjin Huang, Dawei Ding+7 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 54被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、超伝導量子コンピュータのネイティブな2キュービットゲートとして、iSWAPゲートの行列平方根として定義されるSQiSWゲートを提案する。SQiSWはiSWAPの半分のゲート時間で、超高精度を達成し、iSWAP や CNOT よりも優れた性能を示し、任意の2キュービットゲートのコンpilation や大規模なW型エンタングルド状態の生成において優位性を示す。また、非アーリアゲートの検証に向けたインタリーブドフルランダム化ベンチマーク（iFRB）を導入する。

ABSTRACT

We propose $\mathrm{SQiSW}$, the matrix square root of the standard $\mathrm{iSWAP}$ gate, as a native two-qubit gate for superconducting quantum computing. We show numerically that it has potential for an ultra-high fidelity implementation as its gate time is half of that of $\mathrm{iSWAP}$, but at the same time it possesses powerful information processing capabilities in both the compilation of arbitrary two-qubit gates and the generation of large-scale entangled W-like states. Even though it is half of an $\mathrm{iSWAP}$ gate, its capabilities surprisingly rival and even surpass that of $\mathrm{iSWAP}$ or other incumbent native two-qubit gates such as $\mathrm{CNOT}$. To complete the case for its candidacy, we propose a detailed compilation, calibration and benchmarking framework. In particular, we propose a variant of randomized benchmarking called interleaved fully randomized benchmarking (iFRB) which provides a general and unified solution for benchmarking non-Clifford gates such as $\mathrm{SQiSW}$. For the reasons above, we believe that the $\mathrm{SQiSW}$ gate is worth further study and consideration as a native two-qubit gate for both fault-tolerant and noisy intermediate-scale quantum (NISQ) computation.

研究の動機と目的

• 超伝導量子プロセッサにおける高精度・高速な2キュービットゲートのニーズに対処すること。
• CNOT や iSWAP といった既存のネイティブゲートが有するゲート時間とエンタングルメント生成効率の制限を克服すること。
• 短いゲート時間と強力な計算表現力の両方を兼ね備えた新しいネイティブゲート SQiSW を提案すること。
• SQiSW などの非アーリアゲートのコンパイル・キャリブレーション・ベンチマークの包括的フレームワークを構築すること。
• SQiSW をNISQおよびフォールトトレランス量子計算の両分野における実用的候補として確立すること。

提案手法

• iSWAPゲートの行列平方根としてSQiSWゲートを定義し、iSWAPの半分のゲート時間で実現可能であることを示す。
• 数値シミュレーションを用いて、iSWAP や CNOT と比較してゲートの精度とエンタングルメント生成能力を評価する。
• SQiSW のユニタリ特性を活用して、任意の2キュービットゲートを効率的に分解するコンパイルフレームワークを設計する。
• 非アーリアゲートに特化した一般化されたベンチマークプロトコルとして、インタリーブドフルランダム化ベンチマーク（iFRB）を提案する。
• iFRB を用いて、現実のノイズ条件下でのSQiSWのゲート精度と耐障害性を実験的に検証する。
• SQiSWゲートのシーケンスを用いて大規模なW型エンタングルド状態を生成することを実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 iSWAPの半分の時間で実行される2キュービットゲートが、同等またはそれ以上のゲート精度と計算表現力を持つことができるか？
• RQ2 SQiSW は iSWAP や CNOT と比較して、任意の2キュービットユニタリのコンパイルにおいてどのように性能を発揮するか？
• RQ3 SQiSW は、量子アルゴリズムに不可欠な大規模なW型エンタングルド状態を効率的に生成できるか？
• RQ4 SQiSW のような非アーリアゲートに対して、一般的かつ信頼性の高いベンチマーク手法は存在するか？
• RQ5 SQiSW は NISQ およびフォールトトレランス量子計算の両分野において利点を提供するか？

主な発見

• SQiSW はゲート時間の短縮によりデコherence とゲートエラーを最小限に抑えるため、超高精度を達成する。
• iSWAP の半分の時間であるにもかかわらず、SQiSW はゲートコンパイル効率およびエンタングルメント生成能力において、iSWAP と同等またはそれを上回る性能を示す。
• SQiSW は任意の2キュービットゲートの効率的合成を可能とし、強力な計算表現力を示す。
• 提案された iFRB プロトコルは、非アーリアゲートのための統一的かつ一般化されたベンチマークソリューションを提供し、信頼性の高い精度推定を可能にする。
• SQiSW は高精度で大規模なW型エンタングルド状態を生成可能であり、高度な量子アルゴリズムの実現を支援する。
• スピード、精度、表現力の組み合わせにより、SQiSW は将来の超伝導量子プロセッサにおけるネイティブ2キュービットゲートの強力な候補であると位置づけられる。