[논문 리뷰] Alibaba Cloud Quantum Development Platform: Surface Code Simulations with Crosstalk

Cupjin Huang, Xiaotong Ni외 12명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 20.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 48인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 알리바바 클라우드 양자 개발 플랫폼에서 평면형 초전도 구조에서 발생하는 ZZ 상호작용으로 인한 현실적인 교차 간섭(crosstalk)을 고려한 거리-3 표면 코드 논리 큐비트에 대한 대규모 시뮬레이션을 제시한다. 주요 발견은 교차 간섭이 논리적 디코herence에 상당한 기여를 한다는 것으로, 표준 모델 대비 단위 시간당 상실 확률을 약 60% 증가시킨다. 이는 고장 내성 양자 오류 수정을 위해서는 2차 교차 간섭 효과조차도 억제해야 한다는 점을 시사한다.

ABSTRACT

We report, in a sequence of notes, our work on the Alibaba Cloud Quantum Development Platform (AC-QDP). AC-QDP provides a set of tools for aiding the development of both quantum computing algorithms and quantum processors, and is powered by a large-scale classical simulator deployed on Alibaba Cloud. In this note, we simulate a distance-3 logical qubit encoded in the 17-qubit surface code using experimental noise parameters for transmon qubits in a planar circuit QED architecture. Our simulation features crosstalk induced by ZZ-interactions. We show that at the current-stage noise levels, crosstalk contributes significantly to the dephasing of the logical qubit. This results in a total phase-flip probability of $\sim 0.6\%$, about $60\%$ higher than expected without considering crosstalk. This indicates that for the code considered, the current noise parameters approach, but do not yet meet, the break-even fault-tolerance regime.

연구 동기 및 목표

• 실제 실험 노이즈 파rameter를 사용하여 표면 코드 오류 수정에서 교차 간섭의 영향을 평가하기 위해.
• 실제 노이즈 원천을 포함한 대규모 양자 오류 수정을 모델링할 수 있는 확장 가능한 고전적 시뮬레이션 플랫폼을 개발하고 구현하기 위해.
• 일반적으로 생략되는 2차 교차 간섭 효과가 논리 큐비트의 코herence를 얼마나 악화시키는지 정량화하기 위해.
• 교차 간섭을 고려할 경우 현재 초전도 큐비트의 노이즈 수준이 고장 내성의 임계점(브레이크이븐 임계점)에 도달했는지 평가하기 위해.
• 교차 간섭이 과거에 과소평가된 논리 오류의 주요 원인임을 규명함으로써 향후 하드웨어 설계 및 오류 보정 전략을 이끌기 위해.

제안 방법

• 시뮬레이션은 알리바바 클라우드에 배포된 타이-장 텐서 네트워크 시뮬레이터의 재구성된 버전을 사용하여, 9개의 데이터 큐비트와 8개의 보조 큐비트를 포함한 17큐비트 표면 코드(surpace-17)를 모델링한다.
• 노이즈 파rameter는 초전도 트랜스몬 큐비트의 실험 데이터에서 유도되며, ZZ 상호작용 교차 간섭을 포함하여 하미르토니안 기반 시간 진화 시뮬레이션에 통합된다.
• 시간 진화는 이산 시간 단위로 나누어진 트로터-수즈키 분해를 통해 계산되며, 고전적 클라우드 인프라에서 노이즈가 있는 양자 회로를 시뮬레이션할 수 있도록 한다.
• 논리 채널은 현실적인 교차 간섭 조건 하에서 논리 오류율, 특히 상실 확률을 계산하여 분석된다.
• 동적 작업 분배 기법(FunctionCompute)을 활용해 클라우드 자원을 효율적으로 활용하여 대규모 텐서 네트워크 수축을 처리한다.
• 교차 간섭 효과를 분리하기 위해 안정자 형식 기반 오류 모델을 사용하여 ZZ 상호작용 유무를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ZZ 상호작용으로 인한 교차 간섭은 표면-17 코드에서 논리적 디코herence 속도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 표준의 분산 노이즈 모델에 비해 교차 간섭은 논리 오류율에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 교차 간섭을 포함했을 때 시스템은 고장 내성 임계점에 더 가까워지거나 멀어지는가?
• RQ4 교차 간섭을 고려할 경우 현재 초전도 하드웨어 파rameter는 유익한 양자 오류 수정을 지원할 수 있는가?
• RQ5 클라우드 기반 고전적 텐서 네트워크 방법을 사용해 표면 코드에서 교차 간섭을 시뮬레이션하는 데 드는 계산 비용과 확장성은 어떠한가?

주요 결과

• ZZ 상호작용으로 인한 교차 간섭은 논리적 상실 확률을 약 0.6%로 증가시키며, 이는 표준의 분산 노이즈 모델에서 예상되는 값보다 약 60% 높다.
• 2차 교차 간섭 효과조차도 논리 큐비트의 코herence를 상당히 악화시키므로, 오류 수정 설계에서 무시할 수 없다.
• 교차 간섭을 포함한 현재 트랜스몬 큐비트의 노이즈 파rameter는 고장 내성 임계점에 도달하기는 했지만 아직 도달하지 못한 상태이다.
• 이 시뮬레이션은 교차 간섭이 이전에 추정된 것보다 더 많은 디코herence 기여를 한다는 것을 입증하며, 표준 오류 수정 모델의 가정을 도전한다.
• 알리바바 클라우드 양자 개발 플랫폼은 단일 GPU 또는 수백 개의 동시 클라우드 작업을 사용하여 현실적인 교차 간섭을 고려한 17큐비트 표면 코드를 성공적으로 시뮬레이션하였다.
• 본 연구는 작은 논리 코드에 대해서도 교차 간섭 억제가 필수적임을 보여주며, 논리 신뢰도에 측정 가능한 악영향을 미친다.