[논문 리뷰] Demonstration of Optimal Fixed-Point Quantum Search Algorithm in IBM Quantum Computer

Kamal Gurnani, Bikash K. Behera외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 29.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 34인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 양자 상태의 힐버트 공간 내에서 상태 벡터를 회전시켜 목표 상태를 정확히 탐색하는 방식으로, 오목한 고정점 양자 검색(OFPQS) 알고리즘을 다섯 큐비트 IBM 양자 컴퓨터에 구현함을 보여준다. 한 번과 두 번의 반복을 수행하고 양자 상태 단층 촬영을 통해 결과를 검증함으로써, 높은 정밀도의 상태 준비와 목표 상태로의 정확한 수렴을 확인하였으며, 이는 실제 양자 하드웨어 환경에서 알고리즘이 얼마나 정밀하게 작동하는지를 보여준다.

ABSTRACT

Quantum search algorithm can be described as the rotation of state vectors in a Hilbert space. The state vectors uniformly rotate by iterative sequences until they hit the target position. To optimize the algorithm, it is necessary to have the precise knowledge about some parameters like the number of target positions. Here we demonstrate the implementation of optimal fixed-point quantum search (OFPQS) algorithm in a five-qubit quantum computer developed by IBM Corporation. We perform the OFPQS algorithm for one and two-iterations and confirm the accuracy of our results by state tomography process.

연구 동기 및 목표

• 실제 양자 프로세서에서 최적의 고정점 양자 검색(OFPQS) 알고리즘을 구현하는 것.
• 노이즈가 있는 중간 규모 양자(NISQ) 장치에서 양자 상태 단층 촬영을 사용하여 OFPQS 알고리즘의 정확성을 검증하는 것.
• 다섯 큐비트 IBM 양자 컴퓨터에서 OFPQS의 성능을 한 번과 두 번의 반복으로 조사하는 것.
• 목표 상태의 수를 정확히 알고 있음으로써 고정점 검색에서 최적의 수렴이 가능함을 확인하는 것.

제안 방법

• OFPQS 알고리즘은 힐버트 공간 내에서 반복적인 상태 벡터 회전을 사용하여 다섯 큐비트 IBM 양자 프로세서에 구현된다.
• 수렴 특성과 품질을 평가하기 위해 알고리즘을 한 번과 두 번의 반복으로 실행한다.
• 최종 양자 상태를 재구성하고 검색 결과의 정확성을 검증하기 위해 양자 상태 단층 촬영이 적용된다.
• 정확히 알려진 목표 상태의 수로부터 유도된 회전 각도를 정밀하게 제어하여 고정점 수렴을 달성한다.
• 이 구현은 NISQ 시대 하드웨어에 적합한 표준 양자 게이트와 회로 최적화 기법을 사용한다.
• 재구성된 밀도 행렬을 이상적인 목표 상태와 비교하여 최종 상태의 품질을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OFPQS 알고리즘이 실제 다섯 큐비트 양자 프로세서에 성공적으로 구현될 수 있는가?
• RQ2 상태 품질과 수렴 측면에서 알고리즘이 한 번과 두 번의 반복으로 어떻게 작동하는가?
• RQ3 양자 상태 단층 촬영이 노이즈가 있는 하드웨어에서 OFPQS 출력의 정확성을 어느 정도 확인할 수 있는가?
• RQ4 고정점 수렴 성질이 디코herence와 게이트 오류가 존재하는 실제 양자 계산 환경에서도 유지되는가?
• RQ5 목표 상태의 수를 정확히 알고 있음으로써 실제 양자 장치에서 최적의 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• OFPQS 알고리즘은 반복적인 상태 회전을 사용하여 다섯 큐비트 IBM 양자 컴퓨터에 성공적으로 구현되었다.
• 양자 상태 단층 촬영을 통해 한 번과 두 번의 반복 후 높은 품질의 상태 준비가 이루어졌다.
• 재구성된 양자 상태는 이상적인 목표 상태와 강한 오버랩을 보이며 정확한 수렴을 나타냈다.
• 적절한 파rameter 조정을 통해 실제 NISQ 장치에서도 고정점 수렴이 달성될 수 있음을 결과가 입증했다.
• 정확한 목표 상태 수의 지식이 검색 과정에서 최적의 성능을 가능하게 한다는 것이 확인되었다.
• 노이즈와 디코herence 영향에도 불구하고, 구현은 실제 양자 하드웨어 환경에서 OFPQS의 이론적 프레임워크를 검증하였다.