[논문 리뷰] Demonstration of quantum volume 64 on a superconducting quantum computing system

Petar Jurcevic, Ali Javadi-Abhari외 29명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 29.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 55인용 수 421

한 줄 요약

이 논문은 IBM의 27 큐비트 초전도 양자 프로세서인 ibmq montreal에서 컴파일러 최적화, 더 짧은 두 큐비트 게이트, 유휴 큐비트를 위한 다이내믹 디커플링, 그리고 흥분 상태 촉진(ESP) 독출을 통합하여 양자 볼륨 64를 달성하였다. 하드웨어 인식 소프트웨어와 펄스 수준 제어 향상의 조합으로 무거운 출력 확률이 0.701 ± 0.031에 도달하여 2/3 기준을 98.744% 신뢰도로 초월하였으며, 이는 고장 내성 양자 계산의 준비도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

We improve the quality of quantum circuits on superconducting quantum computing systems, as measured by the quantum volume, with a combination of dynamical decoupling, compiler optimizations, shorter two-qubit gates, and excited state promoted readout. This result shows that the path to larger quantum volume systems requires the simultaneous increase of coherence, control gate fidelities, measurement fidelities, and smarter software which takes into account hardware details, thereby demonstrating the need to continue to co-design the software and hardware stack for the foreseeable future.

연구 동기 및 목표

• 초전도 양자 프로세서에서 양자 볼륨 64를 달성하여 고장 내성 양자 계산으로 나아가기 위해.
• 노이지 중간 규모 양자(NISQ) 시스템에서 게이트 편밀도, 측정 오차, 붕괴 문제를 해결하기 위해.
• 양자 볼륨 향상이 소프트웨어와 하드웨어의 공동 설계가 필요하며, 저수준 펄스 제어와 컴파일러 최적화를 포함함을 입증하기 위해.
• 무작위 게이트 편밀도를 넘어서 전체 시스템 메트릭인 양자 볼륨이 진전을 측정하는 데 필수적임을 검증하기 위해.

제안 방법

• 에러 누적을 최소화하기 위해 Qiskit에서 컴파일러 최적화를 구현하여 회로 깊이와 게이트 수를 감소시켰다.
• 직접 CNOT 게이트에 회전 에코 펄스와 최적화된 펄스 형상 기법을 적용하여 두 큐비트 게이트 지속시간을 199–309 ns로 단축시켰다.
• 유지 상태 큐비트에 다이내믹 디커플링 시퀀스를 적용하여 저주파수 노이즈로 인한 붕괴를 억제하였다.
• 측정 이전에 |1⟩ 상태에서 |f⟩ 상태로 전이를 위해 π 펄스를 적용하여 흥분 상태 촉진(ESP) 독출을 도입함으로써 신호 분리도 향상하고 독출 오차를 감소시켰다.
• I-Q 평면에서 상태 식별을 향상시키기 위해 선형 판별 분석(LDA)을 사용하여 할당 정밀도를 향상시켰다.
• 모든 개선 사항을 Qiskit 런타임 스택 내부에서 캘리브레이션 및 통합하여 저수준 펄스 제어와 하드웨어 인식 컴파일링을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 컴퓨터 최적화, 하드웨어 통합 개선을 통해 초전도 양자 프로세서에서 양자 볼륨을 32를 초월해 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 다이내믹 디커플링, 더 짧은 두 큐비트 게이트, ESP 독출이 개별적으로나 종합적으로 양자 회로의 정밀도에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 하드웨어 인식 컴파일러 최적화는 실제 양자 시스템에서 회로 깊이와 오류율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 펄스 수준 제어와 독출 향상 기법인 ESP 독출은 게이트 복잡도를 증가시키지 않고도 SPAM 오차를 크게 감소시킬 수 있는가?
• RQ5 여러 가지 정밀도 향상 기법의 병합 효과는 종합적 양자 볼륨 메트릭에 어떻게 작용하는가?

주요 결과

• IBM Quantum Falcon 프로세서인 ibmq montreal은 무거운 출력 확률이 0.701 ± 0.031로 측정되어 2/3 기준을 98.744% 신뢰도로 초월하였으며, 이는 양자 볼륨 64로 확인되었다 (z = 2.25).
• 컴파일러 최적화, 더 짧은 두 큐비트 게이트(199–309 ns), 유휴 큐비트에 대한 다이내믹 디커플링, ESP 독출의 조합이 QV64 결과를 가능하게 하였다.
• 흥분 상태 촉진(ESP) 독출은 총 할당 오차를 표준 절차의 0.10에서 3.5 × 10⁻²로 감소시켰으며, 리셋 오차는 3.7 × 10⁻²로 유지되었다.
• 평균 T1 및 T2 코herence 시간은 각각 113 µs 및 122 µs였으며, 더 긴 게이트 및 회로 실행 창을 지원하였다.
• 두 큐비트 게이트 비정밀도는 6.4 × 10⁻³으로 감소하였고, 단일 큐비트 게이트 오차는 3.8 × 10⁻⁴로 높은 정밀도의 게이트 작동을 나타내었다.
• 결과는 양자 볼륨이 게이트 정밀도, 측정 정밀도, 코herence, 컴파일러 효율성 등 여러 요소의 동시 향상이 필요로 하는 민감하고 종합적인 기준임을 확인한다.