[논문 리뷰] Efficiently improving the performance of noisy quantum computers

Samuele Ferracin, Akel Hashim외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 25.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 46인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 노이즈가 있는 양자 회로의 성능을 향상시키기 위해 전체 게이트 사이클을 대상으로 하는 두 가지 효율적인 오차 보정 프로토콜—노이즈 없는 출력 외삽(NOX)과 파울리 오차 보정(PEC)—을 소개한다. 노이즈 증폭, 확률적 오차 보정, 그리고 사이클 수준의 노이즈 재구성 기반인 사이클 오차 재구성(CER)을 통해 복잡한 국소적이지 않은, 게이트에 의존하는 노이즈를 보정하며, 네 큐비트 초전도 양자 프로세서에서 오차 보정되지 않은 출력 대비 변동 거리에서 최대 86% 향상을 달성한다.

ABSTRACT

Using near-term quantum computers to achieve a quantum advantage requires efficient strategies to improve the performance of the noisy quantum devices presently available. We develop and experimentally validate two efficient error mitigation protocols named "Noiseless Output Extrapolation" and "Pauli Error Cancellation" that can drastically enhance the performance of quantum circuits composed of noisy cycles of gates. By combining popular mitigation strategies such as probabilistic error cancellation and noise amplification with efficient noise reconstruction methods, our protocols can mitigate a wide range of noise processes that do not satisfy the assumptions underlying existing mitigation protocols, including non-local and gate-dependent processes. We test our protocols on a four-qubit superconducting processor at the Advanced Quantum Testbed. We observe significant improvements in the performance of both structured and random circuits, with up to $86\%$ improvement in variation distance over the unmitigated outputs. Our experiments demonstrate the effectiveness of our protocols, as well as their practicality for current hardware platforms.

연구 동기 및 목표

• 다중 큐비트 노이즈, 예를 들어 크로스톁크를 포함한 다중 게이트 노이즈를 포괄하지 못하는 기존 오차 보정 프로토콜이 게이트 단위 노이즈 모델에 의존하는 한계를 해결하기 위해.
• 제한된 큐비트 및 게이트 오버헤드를 가진 근접한 양자 컴퓨터에 적합한 실용적이고 확장 가능한 오차 보정 전략을 개발하기 위해.
• 현재의 양자 하드웨어 성능을 저해하는 국소적이지 않은, 게이트에 의존하는, 비의도적 노이즈 과정의 효과적인 보정을 가능하게 하기 위해.
• 실제 네 큐비트 초전도 양자 프로세서에서 Advanced Quantum Testbed에서 실험적으로 프로토콜을 검증하여 성능 향상이 뚜렷하게 나타나도록 하기 위해.

제안 방법

• 프로토콜은 전체 게이트 사이클에 작용하는 파울리 노이즈 채널을 효율적으로 특성화하기 위해 사이클 오차 재구성(CER)을 사용한다. 이는 다중 큐비트 및 상관된 오차를 포함한다.
• NOX는 노이즈 증폭을 위해 역노이즈 채널을 적용하고 선형 반응 이론을 사용하여 노이즈 없는 극한으로 외삽한다.
• PEC는 역노이즈 채널을 사용해 노이즈가 있는 회로를 샘플링하고, 고전적 후처리를 통해 노이즈 없는 기대값을 추정하는 준확률적 오차 보정을 활용한다.
• 양측 프로토콜은 읽기 오차 보정(REM)을 통합하여 측정 오차를 보정하고 전체 정밀도를 향상시킨다.
• 회로 깊이와 오차율에 대해 효율적이며, 런타임과 편향이 사이클 수와 오차율에 따라 유리하게 스케일링되도록 설계되어 있다.
• 노이즈 재구성은 사이클 수준에서 수행되어, 전통적인 게이트 세트 토모그라피가 놓치는 복잡한 국소적이지 않은 노이즈 과정을 정확히 모델링할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게이트 단위가 아닌 전체 사이클을 대상으로 함으로써 오차 보정 프로토콜을 대규모 양자 회로에 효과적으로 적용할 수 있는가?
• RQ2 크로스톁크 및 상관 오차와 같은 국소적이지 않고 게이트에 의존하는 노이즈 과정을 근접한 양자 장치에서 효율적으로 특성화하고 보정할 수 있는가?
• RQ3 노이즈 증폭과 확률적 오차 보정을 효율적인 노이즈 재구성과 결합하여 자원 오버헤드를 최소화하면서도 뚜렷한 성능 향상을 달성할 수 있는가?
• RQ4 사이클 수준의 오차 보정 프로토콜이 실제 양자 하드웨어에서 전통적인 게이트 수준 접근 방식보다 얼마나 뛰어나게 성능을 높이는가?
• RQ5 제안된 프로토콜이 현재의 초전도 양자 프로세서에서 실용적으로 구현 가능하며, 회로 정밀도 향상에 측정 가능한 기여를 할 수 있는가?

주요 결과

• NOX 및 PEC 프로토콜은 네 큐비트 초전도 양자 프로세서에서 오차 보정되지 않은 출력 대비 변동 거리에서 최대 86% 향상을 달성하여 뚜렷한 성능 향상을 입증했다.
• 랜덤 회로에서 프로토콜은 오차 보정되지 않은 결과 대비 변동 거리를 최대 86%까지 감소시켰으며, 다양한 회로 깊이에서 일관된 향상이 관찰되었다.
• W-상태 준비 회로에서 NOX+REM은 노이즈가 8%일 때 변동 거리를 오차 보정되지 않은 상태의 8.0%에서 1.9%로 감소시켜 상태 준비 오차의 강력한 억제를 보였다.
• 세 큐비트 QPE 회로에서 NOX+REM은 변동 거리를 15.2%에서 3.0%로 감소시켜 파rameter 추정 작업에서의 노이즈 효과를 효과적으로 보정했다.
• W-상태 회로에서는 읽기 오차 보정(REM)만 사용한 경우보다 프로토콜이 더 뛰어난 성능을 보였지만, QPE 및 랜덤 회로에서는 추가적인 성능 향상이 제한적이었으며, 이는 상황에 따라 효과가 달라지는 것을 시사한다.
• 이론적 분석과 수치 시뮬레이션은 프로토콜이 회로 깊이와 오차율에 대해 유리하게 스케일링됨을 확인했으며, 편향과 런타임은 각각 O(m²n²ε²) 및 O(σ⁻²)로 경계됨을 보였다.