[논문 리뷰] Dynamical decoupling for superconducting qubits: a performance survey

Nic Ezzell, Bibek Pokharel외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 08.

Optical Network Technologies참고 문헌 93인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 3개의 IBM 초전도 큐비트 프로세서에서 60개의 동적 분리(DD) 시퀀스에 대한 대규모 실험적 설문 조사를 통해 임의의 단일 큐비트 상태를 유지하는 데의 성능을 평가한다. 연구 결과, 고차수의 강력한 시퀀스인 보편적으로 강력한(UR) 및 제곱형 DD(QDD) 시퀀스가 CPMG 및 XY4와 같은 전통적인 시퀀스를 일관되게 뛰어넘는 것으로 나타났으며, 최적화된 펄스 간격을 통해 기본 시퀀스가 고급 시퀀스와 거의 동일한 정밀도를 달성할 수 있었다.

ABSTRACT

Dynamical Decoupling (DD) is perhaps the simplest and least resource-intensive error suppression strategy for improving quantum computer performance. Here we report on a large-scale survey of the performance of 60 different DD sequences from 10 families, including basic as well as advanced sequences with high order error cancellation properties and built-in robustness. The survey is performed using three different superconducting-qubit IBMQ devices, with the goal of assessing the relative performance of the different sequences in the setting of arbitrary quantum state preservation. We find that the high-order universally robust (UR) and quadratic DD (QDD) sequences generally outperform all other sequences across devices and pulse interval settings. Surprisingly, we find that DD performance for basic sequences such as CPMG and XY4 can be made to nearly match that of UR and QDD by optimizing the pulse interval, with the optimal interval being substantially larger than the minimum interval possible on each device.

연구 동기 및 목표

• 실제 노이즈 조건 하에서 초전도 큐비트에서 디코herence를 억제하는 데 다양한 동적 분리(DD) 시퀀스의 성능을 평가하기 위해.
• CPMG 및 XY4와 같은 전통적인 DD 시퀀스와 UDD 및 QDD와 같은 고급, 고차수 시퀀스의 효능을 여러 IBM Quantum 장치에서 비교하기 위해.
• 기본 DD 시퀀스의 성능에 대한 펄스 간격 최적화의 영향을 분석하고, 더 복잡한 강력한 시퀀스와의 비교를 위해.
• 단기적인 노이즈가 있는 중간 규모 양자(NISQ) 장치에서 임의의 단일 큐비트 상태 유지에 가장 효과적인 DD 시퀀스를 특정하기 위해.
• 이deal 펄스 DD에 대한 이론적 예측과 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 실험 결과의 일관성을 평가하기 위해.

제안 방법

• ibmq_armonk, ibmq_bogota, ibmq_jakarta의 3개의 IBM Quantum 초전도 큐비트 장치에서 10개의 가족으로부터 유도된 60개의 서로 다른 DD 시퀀스를 구현하였다.
• 정확한 펄스 타이밍과 시퀀스 실행을 가능하게 하여 시퀀스 간 정확한 비교를 가능하게 하기 위해 IBM Quantum의 오픈 펄스 프레임워크를 활용하였다.
• 모든 시퀀스에 대해 상태 유지 정밀도를 정량화하기 위해 랜덤라이즈드 랜딩 및 파울리 시범 프로토콜을 사용하였다.
• 펄스 간격을 체계적으로 변화시켜 성능에 미치는 영향을 분석하였으며, 특히 CPMG 및 XY4와 같은 기본 시퀀스에 초점을 맞추었다.
• 이deal 펄스 DD에 대한 이론적 예측과 실험 결과를 비교하여 유한한 펄스 폭 및 캘리브레이션 오류와 같은 하드웨어 비완전성으로 인한 이격을 규명하였다.
• 장치와 펄스 간격 설정 간의 시퀀스 성능에 대한 통계적 분석을 통해 추세와 최적의 구성 요소를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 초전도 큐비트 하드웨어에서 고차수의 강력한 DD 시퀀스(예: UR, QDD)는 CPMG 및 XY4와 같은 전통적인 시퀀스보다 성능이 어떻게 뛰어나게 되는가?
• RQ2 기본 DD 시퀀스의 성능은 최적의 펄스 간격 선택을 통해 어느 정도 향상될 수 있으며, 이는 고급 시퀀스의 성능에 얼마나 가까워지는가?
• RQ3 실험 결과는 이deal 펄스 DD에 대한 이론적 예측과 얼마나 일관된가? 그리고 하드웨어 비완전성(예: 유한한 펄스 폭, 캘리브레이션 오류)은 성능 이격에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 어느 DD 시퀀스 가족이 다양한 IBM Quantum 장치와 펄스 간격 설정에서 가장 일관되고 강력한 성능을 보였는가?
• RQ5 기본 DD 시퀀스에서 정밀도를 극대화하기 위한 최적의 펄스 간격은 무엇이며, 각 장치에서 가능한 최소 간격과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?

주요 결과

• 보편적으로 강력한(UR) 및 제곱형 DD(QDD) 시퀀스는 모든 3개의 IBM Quantum 장치와 펄스 간격 설정에서 다른 모든 시퀀스를 일관되게 뛰어넘었다.
• 고차수 시퀀스인 CDD, NUDD 및 UDD는 짧은 펄스 간격에서 뛰어난 성능를 보였지만, 펄스 배치가 흐물러지면 그 이점이 줄어들었다.
• CPMG 및 XY4와 같은 기본 시퀀스의 펄스 간격을 최적화함으로써 고급 UR 및 QDD 시퀀스와 거의 동일한 성능을 달성할 수 있었으며, 최적의 간격은 각 장치에서 가능한 최소 간격보다 훨씬 컸다.
• ibmq_armonk에서 상위 10개 시퀀스 중 5개가 QDD 가족에서 유래했으며, 이는 이 가족이 실제 하드웨어에서 매우 효과적임을 실증적으로 보여주었다.
• 이론과 실험 간의 이격이 관찰되었는데, 예를 들어 ibmq_bogota 및 ibmq_jakarta에서 Hahn 에코가 CPMG를 뛰어넘는 것으로 나타나, 장치 특화의 노이즈 또는 캘리브레이션 효과가 있을 수 있음을 시사했다.
• ibmq_jakarta에서 UDDx 시퀀스의 성능은 이론적 기대와 일치하지 않는 불규칙한 행동을 보였으며, 이는 장치 캘리브레이션 오류로 인한 것으로 보였지만, UDDx₁는 뛰어난 성능를 보였다.