[논문 리뷰] Cross-Platform Comparison of Arbitrary Quantum Computations

Daiwei Zhu, Ze-Pei Cian외 15명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 23.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 초전도체(IBM), 포획 이온(UMD, IonQ) 등 다양한 양자 계산 플랫폼 간에 임의의 양자 회로를 교차 플랫폼 비교하기 위해 랜덤라이즈드 측정을 사용하여 교차 플랫폼 허점도를 추정한다. 소수의 랜덤라이즈드 측정만으로도 최소한의 오버헤드로 정확한 허점도 추정이 가능하며, 플랫폼 특화 오류를 드러내고 양자 우월성 도달 이전의 확장 가능한 양자 계산 검증을 가능하게 한다.

ABSTRACT

As we approach the era of quantum advantage, when quantum computers (QCs) can outperform any classical computer on particular tasks, there remains the difficult challenge of how to validate their performance. While algorithmic success can be easily verified in some instances such as number factoring or oracular algorithms, these approaches only provide pass/fail information for a single QC. On the other hand, a comparison between different QCs on the same arbitrary circuit provides a lower-bound for generic validation: a quantum computation is only as valid as the agreement between the results produced on different QCs. Such an approach is also at the heart of evaluating metrological standards such as disparate atomic clocks. In this paper, we report a cross-platform QC comparison using randomized and correlated measurements that results in a wealth of information on the QC systems. We execute several quantum circuits on widely different physical QC platforms and analyze the cross-platform fidelities.

연구 동기 및 목표

• 다른 하드웨어 플랫폼 간에 양자 컴퓨터 성능을 검증하기 위한 확장 가능한 방법을 개발하기 위해.
• 클래식 기준이 존재하지 않을 때 양자 우월성 주장 검증의 과제를 해결하기 위해.
• 서로 다른 양자 시스템에서 동일한 회로를 실행했을 때의 출력을 비교하여 하드웨어 특화 오류를 드러내기 위해.
• 전체 상태 톰그래피에 비해 자원 오버헤드를 줄이면서도 허점도 추정 정확도를 유지하기 위해.
• 교차 플랫폼 일관성 검증을 통해 차세대 양자 장치의 벤치마킹을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 다른 플랫폼에서 실행된 회로 간의 교차 플랫폼 허점도를 추정하기 위해 랜덤라이즈드 측정을 활용하였다.
• 포획 이온 시스템(UMD, IonQ)의 네이티브 게이트 세트로 회로를 컴파일하기 위해 KAK 분해를 사용하였다.
• 큐비트 할당 최적화 및 SWAP 게이트 최소화를 포함한 회로 최적화 기법을 적용하여 게이트 수를 감소시켰다.
• 부트스트랩 리샘플링을 사용하여 랜덤라이즈드 측정 추정치와 전체 상태 톰그래피 간의 허점도 오차 한계를 추정하였다.
• 네 가지 플랫폼(IBM 초전도체, UMD EURIQA 및 TIQC 포획 이온, IonQ 상용 시스템) 간의 결과를 비교하였다.
• 전체 상태 톰그래피를 피하기 위해 지수적 스케일링을 갖되 상수 요소를 줄인(prefactor-optimized) 랜덤라이즈드 측정 프로토콜을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 랜덤라이즈드 측정은 전체 상태 톰그래피에 비해 정확하고 확장 가능한 대안이 될 수 있는가? 이는 교차 플랫폼 양자 허점도 추정에 대해 적용 가능한가?
• RQ2 동일한 임의의 양자 회로를 실행할 때, 초전도체 대비 포획 이온 플랫폼 간의 허점도는 어떻게 비교되는가?
• RQ3 소수의 랜덤라이즈드 측정이 플랫폼 간에 실제 양자 상태 간의 진짜 허점도를 어느 정도 근사할 수 있는가?
• RQ4 교차 플랫폼 회로 비교를 통해 어떤 종류의 하드웨어 특화 오류가 드러나는가?
• RQ5 큐비트 연결성과 라우팅은 플랫폼 간에 양자 볼륨 회로의 허점도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 랜덤라이즈드 측정을 활용한 교차 플랫폼 허점도 추정은 전체 상태 톰그래피에 비해 훨씬 적은 측정 수로도 높은 정확도를 달성하였다.
• 모든 테스트 플랫폼에서 랜덤라이즈드 측정 추정치와 전체 톰그래피 간의 평균 허점도 오차는 0.01 이하였으며, 표준편차는 0.005 이하였다.
• 포획 이온 플랫폼(UMD_1, UMD_2, IonQ)은 동일한 회로에 대해 초전도체 시스템(IBM)보다 높은 평균 허점도(98.5–99.7%)를 보였다.
• 모든 플랫폼에서 양자 볼륨 회로의 두 큐비트 게이트 수는 회로 깊이에 따라 선형적으로 증가하였으며, 초전도체 시스템은 제한된 연결성으로 인해 더 높은 SWAP 오버헤드를 보였다.
• IonQ 시스템은 모든 회로에서 가장 일관된 성능을 보였으며, 두 큐비트 게이트 허점도는 95–97%였고 교차 플랫폼 허점도 추정치의 변동성이 매우 적었다.
• SPAM 보정은 UMD_2에서 정확도를 향상시켜 검출 노이즈를 감소시켰으며, SPAM 보정이 없는 플랫폼에서도 여전히 강력한 교차 플랫폼 일치를 보여, 이 방법의 강인성을 입증하였다.