[논문 리뷰] An Architecture for Improved Surface Code Connectivity in Neutral Atoms

Joshua Viszlai, Sophia Fuhui Lin외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 24.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 중성 원자 양자 컴퓨터를 위한 공동 설계된 표면 코드 아키텍처를 제안하며, 빠른 수평 CNOT 게이트를 통해 그룹 내에서 전방위 연결성을 달성하기 위해 교차 배치된 논리 큐비트 그룹을 사용하여 논리 오류율을 낮추고 라우팅 보조 큐비트를 제거한다. 대규모 회로에서는 인터리브드 레이저 수술을 도입하여 그룹 간에 고접속성 라우팅을 가능하게 하며, 표준 레이저 수술 대비 2배에서 5배의 속도 향상을 보이고, 약 50 큐비트에서 원자 이동에서 레이저 수술으로의 전환점이 나타나 최적 성능를 확보한다.

ABSTRACT

In order to achieve error rates necessary for advantageous quantum algorithms, Quantum Error Correction (QEC) will need to be employed, improving logical qubit fidelity beyond what can be achieved physically. As today's devices begin to scale, co-designing architectures for QEC with the underlying hardware will be necessary to reduce the daunting overheads and accelerate the realization of practical quantum computing. In this work, we focus on logical computation in QEC. We address quantum computers made from neutral atom arrays to design a surface code architecture that translates the hardware's higher physical connectivity into a higher logical connectivity. We propose groups of interleaved logical qubits, gaining all-to-all connectivity within the group via efficient transversal CNOT gates. Compared to standard lattice surgery operations, this reduces both the overall qubit footprint and execution time, lowering the spacetime overhead needed for small-scale QEC circuits. We also explore the architecture's scalability. We look at using physical atom movement schemes and propose interleaved lattice surgery which allows an all-to-all connectivity between qubits in adjacent interleaved groups, creating a higher connectivity routing space for large-scale circuits. Using numerical simulations, we evaluate the total routing time of interleaved lattice surgery and atom movement for various circuit sizes. We identify a cross-over point defining intermediate-scale circuits where atom movement is best and large-scale circuits where interleaved lattice surgery is best. We use this to motivate a hybrid approach as devices continue to scale, with the choice of operation depending on the routing distance.

연구 동기 및 목표

• 표면 코드 양자 오류 수정(QEC)의 공간-시간 오버헤드를 줄이기 위해 하드웨어 능력과 함께 아키텍처를 공동 설계함으로써 중성 원자 어레이에서의 성능을 향상시키기 위해.
• 표준 레이저 수술이 라우팅 보조 큐비트가 필요로 하여 실행 시간과 면적을 증가시키는 한계를 극복하기 위해.
• 수평 CNOT 게이트를 사용하여 소규모 큐비트 그룹 내에서 전방위 논리 연결성을 달성함으로써 오류율을 향상시키고 자원 비용을 감소시키기 위해.
• 대규모 회로를 위한 확장 가능한 라우팅 전략을 설계하기 위해 인터리브드 레이저 수술과 물리적 원자 이동을 활용하기 위해.
• 프로그램 크기와 장치 수준의 파rameter에 기반하여 최적의 라우팅 전략(원자 이동 대비 레이저 수술)을 규명하기 위해.

제안 방법

• 모든 그룹 내에서 전방위 연결성을 달성하기 위해 4~16개의 교차된 논리 큐비트 그룹을 타일링하여 수평 CNOT 게이트를 가능하게 한다.
• 인접한 교차된 그룹 간에 수정된 레이저 수술 프로토콜을 도입하여 그룹 간 전방위 연결성을 달성하고, 더 높은 접속성 라우팅 공간을 형성한다.
• 다양한 회로 크기와 레이아웃에서 원자 이동과 인터리브드 레이저 수술의 총 라우팅 시간을 평가하기 위해 수치 시뮬레이션을 사용한다.
• 핵심 장치 파라미터인 물리적 측정 시간, 원자 이동 속도, 그리고 도달 가능한 라이드버그 상호작용 범위(그룹 크기를 정의)에 대한 성능 민감도를 분석한다.
• 표준, 컴act, 인터리브드 레이아웃 세 가지를 비교하며, 컴 pact 레이아웃은 라우팅 보조 큐비트와 충돌을 최소화하여 가장 낮은 라우팅 비용을 제공한다.
• 단거리 연산은 원자 이동을, 장거리 연산은 인터리브드 레이저 수술을 사용하는 하이브리드 라우팅 전략을 도입하며, 이는 약 50개의 프로그램 큐비트에서 전환점이 된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성 원자 어레이에서 교차된 논리 큐비트 그룹이 수평 CNOT 게이트를 통해 그룹 내에서 전방위 연결성을 달성할 수 있으며, 이로 인해 레이저 수술 대비 논리 오류율이 감소하는가?
• RQ2 인접 그룹 간의 인터리브드 레이저 수술이 더 높은 접속성 라우팅 공간을 제공하여 대규모 표면 코드 회로의 라우팅 시간을 줄이는가?
• RQ3 총 계산 시간 측면에서 원자 이동에서 인터리브드 레이저 수술으로의 전환이 최적화되는 프로그램 크기는 어느 정도인가?
• RQ4 측정 시간과 원자 이동 속도와 같은 장치 수준의 파라미터가 라우팅 전략 간 전환점에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 원자 이동과 인터리브드 레이저 수술을 조합한 하이브리드 라우팅 접근 방식이 공간-시간 오버헤드 측면에서 표준 레이저 수술을 능가할 수 있는가?

주요 결과

• 교차 그룹 내 수평 CNOT는 논리 오류율을 낮추고 라우팅 보조 큐비트가 필요 없게 하여 근접한 QEC 구현의 비용을 낮춘다.
• 약 50개 이하의 논리 큐비트를 가진 프로그램에서는 중간 회로 원자 이동을 통한 라우팅이 표준 레이저 수술보다 짧은 실행 시간을 보이며 최적 성능를 확보한다.
• 50개 이상의 논리 큐비트를 가진 프로그램에서는 인터리브드 레이저 수술이 더 높은 접속성과 라우팅 충돌 감소로 인해 표준 레이저 수술 대비 2배에서 5배의 계산 시간 단축을 제공한다.
• 라우팅 보조 큐비트를 최소화하는 컴 pact 레이아웃은 특히 교차 그룹과 조합했을 때 계산 시간에서 가장 큰 상대적 향상을 보였다.
• 물리적 측정 시간을 향상시키거나 원자 이동 속도를 높이면 전환점은 각각 더 작은 또는 더 큰 프로그램 크기로 이동하며, 이는 장치 성능에 민감함을 시사한다.
• 9개를 초과해 교차 그룹 크기를 늘릴 경우 수익 감소 현상이 나타나 9가 최적 성능를 위한 실용적인 상한선임을 시사한다.