[논문 리뷰] Circuit optimization for IBM processors: A way to get higher fidelity and higher values of nonclassicality witnesses

Mitali Sisodia, Abhishek Shukla외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 30.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 26인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 IBM의 초전도 양자 프로세서를 위한 체계적인 회로 최적화 방법을 제안하며, Clifford+T 게이트를 사용하여 게이트 수와 회로 깊이를 줄여 신뢰도와 비고전성 증거를 향상시킨다. 기존 및 벤치마크용 양자 회로에 맞춤형 최적화 알고리즘을 적용함으로써, 저자들은 상태 신뢰도를 크게 향상시키고 메르민 부등식의 위반 정도를 증가시켰다—비고전성 증거를 0.85에서 1.116으로 상승시켜, 근접한 장치에서 양자 우월성의 증거를 강화한다.

ABSTRACT

Recently, various quantum computing and communication tasks have been implemented using IBM's superconductivity-based quantum computers which are available on the cloud. Here, we show that the circuits used in most of those works were not optimized and the use of the optimized circuits can considerably improve the possibility of observing unique features of quantum mechanics. Specifically, a systematic procedure is used here to obtain optimized circuits (circuits having reduced gate count and number of levels) for a large number of Clifford+T circuits which have already been implemented in the IBM quantum computers. Optimized circuits implementable in IBM quantum computers are also obtained for a set of reversible benchmark circuits. With a clear example, it is shown that the reduction in circuit costs enhances the fidelity of the output state (with respect to the theoretically expected state in the absence of noise) as lesser number of gates and levels introduce lesser amount of errors during evolution of the state. Further, considering Mermin inequality as an example, it's shown that the violation of classical limit is enhanced when we use an optimized circuit. Thus, the approach adopted here can be used to identify relatively weaker signature of quantumness and also to establish quantum supremacy in a stronger manner.

연구 동기 및 목표

• 기존 IBM 양자 계산 실험에서 회로 최적화의 부족으로 인한 노이즈 누적으로 인한 신뢰도 저하 문제를 해결하기 위해.
• 게이트 수와 회로 깊이를 최소화하는 데 중점을 두어, IBM의 QX2 및 QX4 5 큐비트 아키텍처에 일반적으로 적용 가능한 최적화 프레임워크를 개발하기 위해.
• 최적화된 회로가 더 높은 신뢰도의 출력 상태와 더 강한 양자 비고전성의 증거, 예를 들어 메르민의 부등식 위반 정도 향상과 같은 특징을 보임을 입증하기 위해.
• 근접한 노이즈가 있는 중규모 양자(NISQ) 장치에서 양자 알고리즘과 벤치마크를 더 신뢰성 있게 구현할 수 있도록 하기 위해.
• 5 큐비트를 초월하는 더 큰 IBM 양자 프로세서에 적용 가능한 확장 가능하고 아키텍처에 종속되지 않는 최적화 도구를 제공하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 입력된 Clifford+T 회로를 게이트 수와 회로 레벨 수가 감소한 등가 회로로 변환하기 위해 맞춤형 최적화 알고리즘을 사용한다.
• 최적화 과정은 IBM의 QX2 및 QX4 프로세서의 네이티브 연결 아키텍처를 존중하며, CNOT 게이트의 방향성과 연결 제약 조건을 고려한다.
• 회로는 표준 방법을 사용해 먼저 Clifford+T 형태로 컴파일된 후, T-카운트와 회로 깊이를 최소화하는 합성 알고리즘을 통해 최적화된다.
• 이 방법은 이전에 구현된 회로와 함께, Full_Adder, Toffoli 및 ALU 기능을 포함한 역행 가능 논리 회로의 벤치마크 세트를 사용하여 검증된다.
• 최적화된 회로는 게이트 수, 깊이 및 기대 신뢰도 측면에서 원본 회로와의 시뮬레이션 및 비교를 통해 평가된다.
• 출력 상태의 비고전성은 메르민의 부등식을 사용하여 정량화되며, 위반 정도는 ⟨M₃⟩−2로 측정된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IBM의 5 큐비트 양자 프로세서에서 체계적인 Clifford+T 회로 최적화가 게이트 수와 회로 깊이를 줄일 수 있는가?
• RQ2 노이즈 존재 조건에서 회로 최적화가 출력 양자 상태의 신뢰도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 회로 최적화가 메르민의 부등식 위반 정도를 더 강하게 만들어 비고전성의 더 명확한 증거를 제공하는가?
• RQ4 제안된 최적화 방법은 역행 가능 논리 벤치마크를 포함한 다양한 양자 회로에 일반화되고 적용 가능한가?
• RQ5 회로 비용 감소가 양자 우월성 관측의 신뢰성과 실험적 실현 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 3 큐비트 메르틴 부등식 실험을 위한 최적화된 회로는 비고전성 증거를 0.85에서 1.116으로 상승시켜 고전적 한계를 훨씬 더 강하게 위반함을 나타낸다.
• 게이트 수와 회로 깊이 감소로 인해 상태 진화 중 노이즈 누적이 최소화되어 최적화된 회로에서 출력 상태의 신뢰도가 향상되었다.
• 역행 가능 벤치마크 회로의 경우, 최적화로 게이트 수가 최대 70% 감소했고, 일부 회로(예: alu-v2_31 및 mini-alu_167)에서는 회로 깊이가 최대 60% 감소하였다.
• 최적화 알고리즘은 기능적 동치성을 유지하면서도 CNOT 게이트 수와 회로 레벨 수를 감소시켰으며, QX4 아키텍처의 연결 제약 조건 하에서도 성공적으로 작동했다.
• 이 방법은 일반적이고 확장 가능하며, 16 큐비트 및 20 큐비트 IBM 프로세서에 적용 가능한 잠재력을 보이며, 165개의 벤치마크 회로에 대한 성공적인 최적화를 통해 이를 입증했다.
• 결과적으로, 회로 최적화가 근접한 양자 장치에서 강력한 양자 특성을 관측하고 양자 우월성을 확립하는 데 필수적임을 확인했다.