[논문 리뷰] Efficiently characterizing the total error in quantum circuits

Arnaud C. Dugas, Joel J. Wallman외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 17.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 구성 요소 게이트의 정밀도와 유니타리도를 활용하여 총 양자 회로 오차에 대한 개선된 경계를 제시하며, 랜덤라이즈드 래퍼런싱을 통한 더 정밀한 오차 추정을 가능하게 한다. 이 방법은 제곱형과 선형 오차 스케일링 사이를 부드럽게 보간하여, 게이트 특성화를 위한 임베디드 랜덤라이즈드 래퍼런싱의 정밀도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

There is currently a significant need for robust and efficient methods for characterizing quantum devices. While there has been significant progress in this direction, there remains a crucial need to precisely determine the strength and type of errors on individual gate operations, in order to assess and improve control as well as reliably bound the total error in a quantum circuit given some partial information about the errors on the components. In this work, we first provide an optimal bound on the total fidelity of a circuit in terms of component fidelities, which can be efficiently experimentally estimated via randomized benchmarking. We then derive a tighter bound that applies under additional information about the coherence of the error, namely, the unitarity, which can also be efficiently estimated via a related experimental protocol. This improved bound smoothly interpolates between the worst-case quadratic and best-case linear scalings for composite error channels. As an application we show how our analysis substantially improves the achievable precision on estimates of the error rates of individual gates under interleaved randomized benchmarking, enabling greater precision for current experimental methods to assess and tune-up control over quantum gate operations.

연구 동기 및 목표

• 양자 게이트 오차의 정밀한 특성화가 양자 회로의 제어 및 신뢰성 향상에 필수적임을 해결하기 위해.
• 개별 게이트 정밀도 및 일관성에 대한 부분적인 실험 데이터를 사용하여 총 회로 오차를 경계화하는 방법을 개발하기 위해.
• 오차 채널의 유니타리 정보를 통합함으로써 임베디드 랜덤라이즈드 래퍼런싱의 정밀도를 향상시키기 위해.
• 더 정밀한 오차 경계를 통해 양자 게이트 동작의 평가 및 튜닝을 보다 정확하게 수행할 수 있도록 하기 위해.
• 근현실 양자 장치에서 오차 특성화를 위한 확장 가능하고 실험적으로 실현 가능한 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 표준 랜덤라이즈드 래퍼런싱을 통해 효율적으로 측정할 수 있는 구성 요소 게이트 정밀도 기반으로 최적의 총 회로 정밀도 경계를 유도하기 위해.
• 오차 채널의 유니타리도(일관성의 척도)를 포함시켜 더 날카운 오차 경계를 제안하기 위해. 이는 관련된 실험 프rotocol을 통해 추정할 수 있다.
• 오차의 일관성 정도에 따라 최악의 경우(제곱형)와 최선의 경우(선형) 오차 스케일링 사이를 보간하는 복합 오차 모델을 구성하기 위해.
• 관측된 게이트 오차의 일관성에 따라 동적으로 오차 경계를 조정할 수 있도록 유니타리도를 보정 매개변수로 활용하기 위해.
• 개선된 경계를 임베디드 랜덤라이즈드 래퍼런싱에 적용하여 개별 게이트 오차율 추정의 정밀도를 향상시키기 위해.
• 모든 방법 요소가 기존의 양자 래퍼런싱 프rotocol을 사용하여 실험적으로 접근 가능함을 보장하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개별 게이트 오차에 대한 부분 정보만을 사용하여 총 회로 오차를 더 엄격하게 경계할 수 있는가?
• RQ2 유니타리도로 측정된 오차의 일관성은 양자 회로의 오차 경계를 정밀화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 유니타리도 정보를 포함시키면 게이트 오차율 추정의 정밀도에 상당한 향상이 이루어지는가?
• RQ4 제안된 경계는 오차의 일관성에 따라 제곱형과 선형 오차 스케일링 영역 사이를 어떻게 보간하는가?
• RQ5 실제로 개선된 경계는 임베디드 랜덤라이즈드 래퍼런싱의 정확도를 어느 정도 향상시키는가?

주요 결과

• 오차 일관성에 대한 추가 정보가 있을 경우, 제안된 총 회로 정밀도 경계는 이전의 경계보다 더 날카롭다.
• 유니타리도를 포함시킴으로써 오차 경계는 최악의 경우 제곱형 스케일링과 최선의 경우 선형 스케일링 사이를 부드럽게 보간할 수 있다.
• 임베디드 랜덤라이즈드 래퍼런싱을 통해 개별 게이트 오차율 추정의 정밀도가 상당히 향상된다.
• 유도된 경계는 표준 랜덤라이즈드 래퍼런싱 및 유니타리도 추정 프rotocol만을 사용하여 실험적으로 실현 가능하다.
• 이 프레임워크는 근현실 장치에서의 오차 특성화에 대해 확장 가능하고 강건한 접근법을 제공하며, 양자 제어의 신뢰성을 향상시킨다.
• 결과는 현재의 양자 하드웨어에서 고정밀도 게이트 특성화를 달성하기 위해 일관성 인식 오차 경계가 필수적임을 보여준다.