[논문 리뷰] Concepts and conditions for error suppression through randomized compiling

Adam Winick, Joel J. Wallman외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 14.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 랜덤화 컴iles싱(RC)이 양자 회로에서 마르코프성과 비마르코프성 오차를 억제함을 입증하며, 일관된 오차와 시간에 의존하는 오차를 확률적 파울리 노이즈로 변환함으로써 오차 누적과 변동성을 감소시킨다. IBM 큐비트 장치에서의 실험 결과는 트레이스 거리 허용도에서 최대 25% 향상됨을 보여주며, 고노이즈 환경에서도 RC의 효과성을 확인한다.

ABSTRACT

Randomized compiling reduces the effects of errors on quantum computers by tailoring arbitrary Markovian errors into stochastic Pauli noise. Here we prove that randomized compiling also tailors non-Markovian errors into local stochastic Pauli noise and investigate the technique's limitations. We show through analysis and numerical results that randomized compiling alters errors in three distinct helpful ways. First, it prevents the coherent accumulation of errors (including hard to remove crosstalk effects) across gate cycles by destroying intercycle coherent correlations. Second, it converts individual gate cycle errors into Pauli noise. Finally, randomized compiling reduces the variability inherent to noisy devices. We confirm these theoretical predictions with the IBM Quantum Experience platform and describe experimental data that illustrates a drastic performance improvement across public devices. These results cement the importance of randomized compiling in near- and long-term quantum information processing.

연구 동기 및 목표

• 랜덤화 컴파일링(RC)의 이론적 기반을 마르코프성 오차를 초월해 비마르코프성 및 시간에 의존하는 오차를 포함하도록 확장하기 위해.
• 노이즈가 많은 양자 장치에서 RC가 일관된 오차와 악성 오차 누적에 효과적으로 억제하는 조건을 명확히 하기 위해.
• 다양한 회로 유형에서 실제 IBM 큐비트 장치에서 RC의 성능 향상을 실험적으로 검증하기 위해.
• RC와 무작위 동적 분리(RDD) 사이의 이론적 및 경험적 연관성을 수립하여 공통의 오차 억제 메커니즘을 부각하기 위해.
• 복잡한 오차를 다룰 수 있는 확률적 파울리 노이즈로 변환함으로써 RC가 랜덤라이즈드 랜딩(RB)을 통해 더 신뢰할 수 있는 오차 특성화를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• RC는 각 게이트 사이클 전후로 무작위 단일 큐비트 클리포드 게이트를 적용하여 오차 과정을 분리하고 일관된 오차 누적을 억제한다.
• 이 방법은 임의의 마르코프성 및 비마르코프성 오차를 국소적 확률적 파울리 노이즈로 변환하여 효율적인 특성화와 수정을 가능하게 한다.
• RC는 무작위 동적 분리(RDD)와 동일한 동적 분리 메커니즘을 활용하며, 무작위화를 통해 사이클 간 일관된 상관관계를 파괴한다.
• 디지털 프리컴파일을 통해 적용되어 회로 깊이에 거의 영향을 주지 않으며, 계산 효율성을 유지한다.
• 오차 억제는 이상적 상태와 노이즈가 있는 출력 상태 사이의 트레이스 거리 허용도(TVD)를 사용하여 정량화되며, 통계적 신뢰구간이 함께 보고된다.
• 다양한 랜덤 컴파일레이션(예: N_RC = 36)을 사용하여 무작위 시퀀스에 대한 평균을 내고 실험적 추정치의 변동성을 줄인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 랜덤화 컴파일링이 양자 회로에서 비마르코프성 및 시간에 의존하는 오차를 효과적으로 억제하는 조건는 무엇인가?
• RQ2 오차 억제 메커니즘과 성능 측면에서 RC는 무작위 동적 분리(RDD)와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 실제 노이즈가 많은 양자 하드웨어에서 RC는 오차 변동성을 얼마나 줄이고 트레이스 거리 허용도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 이론적 보장이 엄격히 성립하지 않는 고오차 환경에서도 RC는 성능 향상을 신뢰성 있게 제공할 수 있는가?
• RQ5 RC는 복잡한 오차를 확률적 파울리 노이즈로 변환함으로써 더 정확하고 신뢰할 수 있는 랜덤라이즈드 랜딩(RB) 추정치를 가능하게 하는가?

주요 결과

• RC는 마르코프성 가정 없이도 비마르코프성 및 시간에 의존하는 오차를 확률적 파울리 노이즈로 변환함으로써 성공적으로 억제한다.
• RC는 사이클 간 상관관계를 파괴함으로써 일관된 오차 누적을 줄여 무작위 동적 분리(RDD)와 유사한 성능 향상을 달성한다.
• IBM 큐비트 장치에서 QCC-VQE 방법을 사용한 LiH 전자 구조 시뮬레이션에서 RC는 트레이스 거리(TVD)를 최대 25% 감소시켰다.
• 동시 CNOT 게이트가 존재하는 깊고 노이즈가 많은 회로에서도 RC는 대부분의 회로 길이에서 TVD를 5–10% 감소시켰다.
• 실험 데이터는 RC가 출력 변동성을 안정화시킴을 보여주었으며, 여러 랜덤 컴파일레이션 간의 TVD 값은 좁게 군집되어 평균 감소가 뚜렷하게 나타났다.
• chaotically random한 단일 무작위화 시퀀스와 구조화된 VQE 회로를 포함한 모든 테스트 시나리오에서 RC는 이론적 한계를 초월한 강건성을 보이며 성능 향상을 이뤘다.