[논문 리뷰] Efficient and practical verification of quantum processes

Ye‐Chao Liu, Jiangwei Shang외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 30.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 양자 회로와 게이트와 같은 양자 과정을 검증하기 위한 두 가지 효율적이고 실용적인 프로토콜을 제안한다. 이는 단지 국소 측정만을 사용하여 표준 양자 과정 톰그래피에 비해 지수적 속도 향상과 직접 신뢰도 추정에 비해 제곱근 수준의 향상을 달성한다. 이 방법은 현재의 실험 기술로도 신뢰할 수 있는 검증을 가능하게 하며, 양자 측정의 검증으로 자연스럽게 확장된다.

ABSTRACT

Quantum processes, such as quantum circuits, quantum memories, and quantum channels, are essential ingredients in almost all quantum information processing tasks. However, the characterization of these processes remains a daunting task due to the exponentially increasing amount of resources required by traditional methods. Here, by first proposing the concept of quantum process verification, we establish two efficient and practical protocols for verifying quantum processes which can provide an exponential improvement over the standard quantum process tomography and a quadratic improvement over the method of direct fidelity estimation. The efficacy of our protocols is illustrated with the verification of various quantum gates as well as the processes of well-known quantum circuits. Moreover, our protocols are readily applicable with current experimental techniques since only local measurements are required. In addition, we show that our protocols for verifying quantum processes can be easily adapted to verify quantum measurements.

연구 동기 및 목표

• 기존 방법의 지수적 자원 증가로 인해 해결이 곤란해지는 양자 과정 특성화 문제를 해결하기 위해.
• 게이트와 회로와 같은 양자 연산을 평가하기 위한 자원 요구량을 줄이는 실용적인 검증 프레임워크를 개발하기 위해.
• 현재의 실험적 양자 기술과 호환 가능한 국소 측정만을 사용하여 검증을 가능하게 하기 위해.
• 양자 측정의 검증까지 포함하는 검증 프레임워크의 확장을 위해.

제안 방법

• 전체 과정 톰그래피의 확장 가능한 대안으로서 양자 과정 검증의 개념을 제안한다.
• 국소 작동과 고전적 통신만을 요구하는 상태 준비 및 측정 기반의 두 가지 프로토콜을 설계한다.
• 전체 과정 재구성의 필요 없이 과정 검증에 특화된 신뢰도 추정 전략을 활용한다.
• 높은 확신 수준으로 과정 신뢰도를 효율적으로 추정하기 위해 랜덤라이즈드 랜딩 유사 기법을 활용한다.
• 이중 프레임워크에서 측정을 과정으로 간주함으로써 프로토콜을 양자 측정의 검증으로 확장한다.
• 필요한 실험 설정과 측정 수를 최소화하여 강건성과 효율성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 양자 과정 톰그래피에 비해 자원 소모를 크게 줄일 수 있는 양자 과정 검증이 가능할 수 있는가?
• RQ2 검증 프로토콜이 단지 국소 측정만을 사용하여 현재의 양자 하드웨어와 호환 가능한가?
• RQ3 기존의 직접 신뢰도 추정과 같은 방법에 비해 프로토콜이 신뢰도 추정의 효율성을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 프레임워크는 유니터리 과정 외에도 양자 측정의 검증까지 확장 가능한가?
• RQ5 실제의 양자 회로와 게이트에 대해 프로토콜은 얼마나 확장 가능하고 실용적인가?

주요 결과

• 제안된 프로토콜은 표준 양자 과정 톰그래피에 비해 자원 효율성에서 지수적 향상을 달성한다.
• 직접 신뢰도 추정 방법에 비해 자원 스케일링에서 제곱근 수준의 향상이 입증된다.
• 오직 국소 측정만을 사용하여 검증이 이루어지므로, 현재의 양자 기술로 실험적으로 실현 가능하다.
• 다양한 양자 게이트와 잘 알려진 양자 회로에 대해 프로토콜이 성공적으로 적용되어 실용적 유용성을 입증한다.
• 프레임워크는 양자 측정의 검증으로 자연스럽게 확장 가능하여, 양자 정보 검증 분야의 적용 범위를 넓힌다.
• 전체 톰그래피에 비해 훨씬 적은 실험 설정으로도 높은 확신 수준의 신뢰도 추정을 유지한다.