[論文レビュー] Variational Quantum Gate Optimization

Kentaro Heya, Yasunari Suzuki+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 4被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、近位量子デバイスにおける多量子ビットゲートの忠実度を最適化するために、パラメータ化された単一量子ビットゲートを用いるハイブリッド量子古典的アルゴリズムである変分量子ゲート最適化（VQGO）を提案する。古典的に最適化されたコスト関数を介して反復的に回転角を調整することで、VQGOはクロストークの影響を受けても、CNOTゲートおよび4量子ビットシンダム抽出ゲートの高忠実度を達成し、超伝導量子ビットモデルにおいて従来手法を上回る性能を示している。

ABSTRACT

We propose a gate optimization method, which we call variational quantum gate optimization (VQGO). VQGO is a method to construct a target multi-qubit gate by optimizing a parametrized quantum circuit which consists of tunable single-qubit gates with high fidelities and fixed multi-qubit gates with limited controlabilities. As an example, we apply the proposed scheme to the models relevant to superconducting qubit systems. We show in numerical simulations that the high-fidelity CNOT gate can be constructed with VQGO using cross-resonance gates with finite crosstalk. We also demonstrate that fast and a high-fidelity four-qubit syndrome extraction can be implemented with simultaneous cross-resonance drives even in the presence of non-commutative crosstalk. VQGO gives a pathway for designing efficient gate operations for quantum computers.

研究の動機と目的

• 近位量子コンピュータにおける2量子ビットゲートの忠実度が低いという課題に取り組むこと、特にクロストークを伴う超伝導量子ビットアーキテクチャにおいて。
• 完全な量子誤り訂正を必要とせずに物理的ゲート忠実度を向上させる変分量子古典的手法を開発すること。
• 調整可能な単一量子ビットゲートと固定で制御性の低い多量子ビットゲートを用いて、高忠実度の多量子ビットゲートを効率的に構築すること。
• ハイブリッドアルゴリズムが計算のためだけでなく、ゲート最適化自体の実現可能性を示すこと。

提案手法

• VQGOは、調整可能な単一量子ビットゲートと固定のソースゲート（例：クロスレゾネンスゲート）から構成されるパラメータ化された量子回路を用いて、ターゲットの多量子ビットゲートを構築する。
• 単一量子ビットゲートの回転角は、測定されたゲート忠実度に基づくコスト関数を最小化するように古典的最適化器によって最適化される。
• 平均ゲート忠実度（AGF）は、確率的状態準備および測定基底を用いたランダム化ベンチマーキングを用いて推定され、ターゲットゲートのプロセス行列要素に重み付けされる。
• プロトコルは、ターゲットゲートのプロセス行列から導出されたコスト関数を用い、測定統計に基づいて失敗確率と推定誤差が上限で制限される。
• パラメータ化された回路構造により、ソースゲートのカルタン係数の最適化が可能となり、これによりエンタングルメントパワーとゲート表現力が直接的に影響を受ける。
• 有限のクロストークを伴う超伝導量子ビットモデルに本手法を適用し、数値シミュレーションを用いてゲート性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導量子ビット系においてクロストークが存在する状況下でも、変分量子古典的アルゴリズムが2量子ビットゲートの忠実度を向上させることができるか？
• RQ2 パラメータ化された単一量子ビットゲートは、固定された多量子ビットゲートの制御性が制限されている状況において、ゲート構築の補完にどの程度有効に機能するか？
• RQ3 非可換なクロストークと同時に駆動される状況下でも、VQGOは高忠実度の4量子ビットシンダム抽出を達成できるか？
• RQ4 ソースゲートのエンタングルメントパワーがVQGOの最適化性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 現実的なノイズと制御制約のもとで、VQGOは従来のゲート構築手法に比べてゲート忠実度において優れているか？

主な発見

• クロストークが有限に存在するクロスレゾネンスゲートにおいても、VQGOは従来手法よりもCNOTゲートの忠実度を高めている。
• 非可換なクロストークが存在する中で、同時に駆動されるクロスレゾネンス駆動を用いて、高速かつ高忠実度の4量子ビットシンダム抽出が可能である。
• ソースゲートのカルタン係数が極端な値（0またはπ/4）をとらない場合、最適化された回路とCNOTゲートとの間の平均ゲート忠実度（AGF）は1に近づく。
• パラメータ化された回路の表現力は、ソースゲートのエンタングルメントパワーに強く依存しており、カルタン係数が恒等写像およびSWAPの極限から離れている場合に最適な性能を示す。
• 確率的状態および基底選択を伴うランダム化ベンチマーキングによるAGF推定は、誤差と失敗確率が測定統計に基づいて上限で制限されるため、信頼性の高い忠実度評価を可能にする。
• 数値シミュレーションにより、VQGOが現実的な超伝導量子ビットモデルにおけるクロストークの影響を効果的に軽減し、ゲート性能を向上させられることを確認した。