[논문 리뷰] Automatic Qubit Characterization and Gate Optimization with QubiC

Yilun Xu, Gang Huang외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 22.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트를 위한 자동화된 FPGA 기반 校정 프레임워크인 QubiC을 제시한다. 단일 큐비트 게이트 캘리브레이션에 다차원 손실 최적화를, 이중 큐비트 CNOT 게이트 캘리브레이션에 전면 XY 평면 측정 방법을 사용한다. 이 방법은 랜덤라이즈드 벤치마킹을 통해 최신 8큐비트 프로세서에서 검증된 고신뢰도 게이트를 달성하며, 단일 큐비트 클리포드 불신뢰도는 $4.9(1.1) imes 10^{-4}$, 이중 큐비트 클리포드 불신뢰도는 $1.4(3) imes 10^{-2}$를 기록한다. LBNL의 Advanced Quantum Testbed에서 수행됨.

ABSTRACT

As the size and complexity of a quantum computer increases, quantum bit (qubit) characterization and gate optimization become complex and time-consuming tasks. Current calibration techniques require complicated and verbose measurements to tune up qubits and gates, which cannot easily expand to the large-scale quantum systems. We develop a concise and automatic calibration protocol to characterize qubits and optimize gates using QubiC, which is an open source FPGA (field-programmable gate array) based control and measurement system for superconducting quantum information processors. We propose mutli-dimensional loss-based optimization of single-qubit gates and full XY-plane measurement method for the two-qubit CNOT gate calibration. We demonstrate the QubiC automatic calibration protocols are capable of delivering high-fidelity gates on the state-of-the-art transmon-type processor operating at the Advanced Quantum Testbed at Lawrence Berkeley National Laboratory. The single-qubit and two-qubit Clifford gate infidelities measured by randomized benchmarking are of $4.9(1.1) imes 10^{-4}$ and $1.4(3) imes 10^{-2}$, respectively.

연구 동기 및 목표

• 대규모 초전도 양자 프로세서에서 수동 큐비트 특성 분석 및 게이트 최적화의 확장성과 복잡성을 해결하기 위해.
• 사용자 수동 조작을 최소화하기 위해 가변형 FPGA 기반 제어 시스템을 활용해 큐비트 캘리브레이션 과정을 자동화함으로써 시간과 노력 절감을 위해.
• 시스템의 드리프트와 환경에 대한 민감성에도 불구하고 고신뢰도 게이트 성능을 유지하는 간결하고 완전히 자동화된 캘리브레이션 프로토콜 개발을 위해.
• NISQ 시대의 양자 계산 시스템에 적합한 효율적이고 고신뢰도의 게이트 최적화를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 다차원 손실 기반 최적화 접근법을 사용하여, 반복적으로 드라이브 앰플리튜드와 펄스 지속시간을 조정함으로써 단일 큐비트 X(90) 게이트의 품질을 향상시킨다. 이를 위해 동일한 게이트를 겹쳐서 사용하여 정밀도를 향상시킨다.
• 이중 큐비트 CNOT 게이트 캘리브레이션을 위해, 블로흐 구면의 임의의 각도로 얽힌 상태를 투영할 수 있는 전면 XY 평면 측정 기법을 사용한다. 이는 단일 측정 세트에서 CNOT 게이트의 파rameter를 추출할 수 있도록 한다.
• QubiC 시스템은 실시간 웨이브폼 생성, 신호 수집, 고전적 후처리를 가능하게 하는 오픈소스 FPGA 기반 제어 및 측정 플랫폼이다.
• 게이트 품질을 검증하기 위해 랜덤라이즈드 벤치마킹(SRB, IRB, XRB)을 활용하며, 파rameter 추출을 위해 True-Q 소프트웨어를 사용해 데이터를 처리한다.
• 실험 데이터에 함수형태 $P(t) = C + A\exp(-\tau t)\sin(2\pi f t + \phi_0)$를 적용하여 라비 진동과 얽힘 토모그래피의 곡선 피팅을 통해 게이트 파rameter를 추출한다.
• CNOT 게이트는 $CNOT = IX(\theta_4) \cdot ZZ(\theta_1,\theta_2) \cdot CR \cdot IZ(\theta_3)$로 모델링되며, 전역 위상 $\pi/2$의 차이가 있는 다른 파rameter 세트도 존재한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자동화된 FPGA 기반 제어 시스템이 최소한의 수동 간섭으로 고신뢰도 단일 큐비트 게이트 캘리브레이션을 달성할 수 있는가?
• RQ2 전면 XY 평면 상태 준비를 통해 단일 측정 세트로 이중 큐비트 CNOT 게이트 파rameter를 효율적으로 추출할 수 있는가?
• RQ3 다차원 손실 기반 최적화 방법이 전통적 캘리브레이션 방법에 비해 단일 큐비트 게이트 품질을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 실제 드리프트와 노이즈 조건 하에서 이중 큐비트 프로세서의 다수 큐비트에서 제안된 캘리브레이션 프로토콜이 고신뢰도를 유지할 수 있는가?
• RQ5 랜덤라이즈드 벤치마킹을 통해 검증된 이 자동화 프로토콜로 달성 가능한 게이트 품질은 어느 정도인가?

주요 결과

• 단일 큐비트 클리포드 게이트 불신뢰도는 $4.9(1.1)\times 10^{-4}$로 측정되어 고신뢰도의 단일 큐비트 연산을 나타낸다.
• 이중 큐비트 클리포드 게이트 불신뢰도는 $1.4(3) imes 10^{-2}$로 측정되어 효과적인 이중 큐비트 얽힘과 게이트 제어를 입증한다.
• 전면 XY 평면 측정 방법 덕분에 단일 측정 세트에서 CNOT 게이트 파rameter를 추출할 수 있었으며, 이는 캘리브레이션 시간과 복잡성을 크게 감소시켰다.
• 다차원 손실 기반 최적화 방법은 반복적인 드라이브 앰플리튜드 조정을 통해 단일 큐비트 게이트를 성공적으로 캘리브레이션했다.
• 랜덤라이즈드 벤치마킹 결과, 자동 캘리브레이션 프로토콜이 NISQ 시대의 양자 알고리즘에 적합한 고신뢰도 게이트를 제공한다는 것이 확인되었다.
• QubiC 시스템은 큐비트 특성 분석과 게이트 최적화의 엔드 투 엔드 자동화를 가능하게 했으며, Advanced Quantum Testbed의 실제 8큐비트 초전도 프로세서에서 결과가 검증되었다.