[論文レビュー] Where are we heading with NISQ?

Olivier Ezratty|arXiv (Cornell University)|May 16, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、ノイジィー中規模量子（NISQ）コンピューティングの現状を批判的に評価し、実用的NISQアプリケーションの実現を妨げるハードウェア的・アルゴリズム的制約を分析している。qubitの忠実度の向上やエラー緩和技術の進展にもかかわらず、NISQは誤り耐性量子計算（FTQC）への真のステッピングストーンにはなり得ないという主張であり、qubit数と忠実度の間で相反する設計的トレードオフが生じるため、NISQとFTQCのシステムは別個の開発路線をとる可能性があると示唆している。

ABSTRACT

In 2017, John Preskill defined Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ) computers as an intermediate step on the road to large scale error corrected fault-tolerant quantum computers (FTQC). The NISQ regime corresponds to noisy qubit quantum computers with the potential to solve actual problems of some commercial value faster than conventional supercomputers, or consuming less energy. Over five years on, it is a good time to review the situation. While rapid progress is being made with quantum hardware and algorithms, and many recent experimental demonstrations, no one has yet successfully implemented a use case matching the original definition of the NISQ regime. This paper investigates the space, fidelity and time resources of various NISQ algorithms and highlights several contradictions between NISQ requirements and actual as well as future quantum hardware capabilities. It then covers various techniques which could help like qubit fidelities improvements, various breeds of quantum error mitigation methods, analog/digital hybridization, using specific qubit types like multimode photons as well as quantum annealers and analog quantum computers (aka quantum simulators or programmable Hamiltonian simulators) which seem closer to delivering useful applications although they have their own mid to longer-term scalability challenges. Given all the constraints of these various solutions, it seems possible to expect some practical use cases for NISQ systems, but with a very narrow window before various scaling issues show up. Turning to the future, a scenario can be envisioned where NISQ will not necessarily be an intermediate step on the road to FTQC. Instead, the two may develop along different paths, due to their different requirements. This leaves open a key question on the trade-offs that may be necessary to make between qubit scale and qubit fidelities in future quantum computers designs.

研究の動機と目的

• NISQコンピュータが、近い将来の量子優位性を達成するという当初の約束を果たせるかどうかを評価すること。
• 空間的リソース（qubit数）、忠実度（ゲートおよび測定誤差）、時間的リソース（回路深さおよびコherー次）の観点から、NISQアルゴリズムの要件と現在および将来の量子ハードウェアの能力との間の矛盾を特定すること。
• 量子エラー緩和、ハイブリッドアナログ・デジタルアーキテクチャ、マルチモード光子や量子アニーリング機器といった代替qubitプラットフォームといった、新たな技術の評価。
• qubit数と忠実度の設計的トレードオフが異なるため、NISQが誤り耐性量子計算（FTQC）とは別個の道筋をとる可能性があるかどうかを検討すること。
• 将来の量子コンピュータアーキテクチャにおいて、スケーラビリティとパフォーマンスのバランスをとるために、qubit数とqubit忠実度の間でなされるべきトレードオフを検討すること。

提案手法

• 論文は、空間（qubit数）、忠実度（ゲートおよび測定誤差）、時間（回路深さおよびコherー次）の観点から、NISQアルゴリズムのリソース要件に焦点を当てた包括的レビューを実施している。
• ゼロノイズ補外、対称性検証、確率的エラーキャンセリングといったさまざまなエラー緩和技術を評価し、スケーラビリティと実用性を検証している。
• 量子古典ハイブリッドアルゴリズム、特に量子近似最適化アルゴリズム（QAOA）を分析し、ノイズおよび回路深さに対する感受性を強調している。
• 超伝導qubit、捕獲イオン、光子系、量子アニーリング機器といったさまざまな量子ハードウェアプラットフォームを比較し、近い将来の応用に適した適性を評価している。
• 物理的制限を超えた有効なqubit数を拡張する手法として、回路キニング（circuit knitting）の導入と議論を行っている。
• Quantinuum や Fujitsu といった企業が提唱する中間的マイルストーンを検討し、NISQとFTQCの間の遷移的パスの可能性を示唆している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のNISQハードウェアは、古典的スーパーコンピュータよりも速く実用的問題を解けるほどの忠実度とqubit数を達成できるか？
• RQ2 NISQアルゴリズムのリソース要件と、現在および近い将来の量子プロセッサの能力との間に、根本的な不一致は何か？
• RQ3 エラー緩和技術が、NISQの制限と実用的量子優位性のギャップをどれほど埋められるか？
• RQ4 NISQは真に誤り耐性量子計算への中間段階であると言えるのか、それとも別個の計算パラダイムに進化する可能性があるのか？
• RQ5 将来の量子コンピュータ設計において、スケーラビリティとパフォーマンスのバランスをとるために、qubit数と忠実度の間でなされるべきトレードオフは何か？

主な発見

• まだ、古典的スーパーコンピュータよりも速く、計算的に困難な問題を解けるというNISQの定義に合致する実験的実証は得られていない。
• qubitの忠実度は著しく向上しており、特定のプラットフォームでは最近のベンチマークでゲート忠実度が99.5％を超えることが示されているが、深さの大きい回路には依然として不十分である。
• ゼロノイズ補外や対称性検証といったエラー緩和技術は有望であるが、スケーラビリティの制限があり、高忠実度リソースを必要としている。
• 量子アニーリング機器やアナログ量子シミュレータは、実用的応用に近いが、中～長期的なスケーラビリティの課題を抱えている。
• 論文は、コherー次性および誤差伝播の問題が深刻化する前に、実用的NISQアプリケーションのための狭い時間窓が存在することを特定している。
• 将来のあり得るシナリオとして、NISQとFTQCは、qubit数と忠実度の要求が相反するため、別個の開発路線をとる可能性があると示唆している。