[논문 리뷰] Establishing trust in quantum computations

Timothy Proctor, Stefan Seritan외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 15.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 노이즈가 있는 중간 규모 양자(NISQ) 장치와 향후 고장내성 시스템에서 양자 회로 실행의 정밀도를 검증하기 위한 확장성 있고 효율적인 프로토콜인 미러 회로 정밀도 평가(MCFE)를 소개한다. 운동 역전과 랜덤화 컴파일을 활용하여 미러 회로에서 정밀도를 추정함으로써, 기존의 토모그래피와는 달리 지수적 증가 문제를 피하면서도 선형 고전적 스케일링과 일정한 데이터 요구량을 확보한다.

ABSTRACT

Quantum computing hardware has grown sufficiently complex that it often can no longer be simulated by classical computers, but its computational power remains limited by errors. These errors corrupt the results of quantum algorithms, and it is no longer always feasible to use classical simulations to directly check the correctness of quantum computations. Without practical methods for quantifying the accuracy with which a quantum algorithm has been executed, it is difficult to establish trust in the results of a quantum computation. Here we solve this problem, by introducing a simple and efficient technique for measuring the fidelity with which an as-built quantum computer can execute an algorithm. Our technique converts the algorithm's quantum circuits into a set of closely related ``mirror circuits'' whose success rates can be efficiently measured. It enables measuring the fidelity of quantum algorithm executions both in the near-term, with algorithms run on hundreds or thousands of physical qubits, and into the future, with algorithms run on logical qubits protected by quantum error correction.

연구 동기 및 목표

• 노이즈가 있고 시뮬레이션할 수 없는 양자 하드웨어에서 양자 계산의 정확성과 정확성을 검증하는 데 있어 핵심적인 과제를 해결하기 위해.
• 고전적 시뮬레이션이나 특수한 회로 성질에 의존하지 않고도 양자 알고리즘 실행의 정밀도를 정량화하는 방법을 개발하기 위해.
• 실제 양자 컴퓨터에서 실용적이고 확장 가능한 검증 프로토콜을 제공함으로써 양자 우월성 주장에 대한 신뢰를 확보하기 위해.
• 양자 회로가 수백 또는 수천 개의 물리적 큐비트로 확장됨에 따라 정밀도 추정이 효율적이고 정확하게 유지되도록 하기 위해.
• 양자 오류 정정으로 보호되는 미래의 논리 큐비트 시스템으로 검증 능력을 확장하기 위해.

제안 방법

• 운동 역전(Loschmidt 에코)을 사용하여 대상 양자 회로에서 미러 회로를 구성함으로써 회로의 유니타리 진화를 반전시킨다.
• 랜덤화 컴파일을 적용하여 원래 회로의 정밀도를 구현 오차와 노이즈로부터 분리한다.
• 세 가지 서로 다른 운동 역전 회로와 랜덤화된 파울리 프레임을 사용하여 미러 회로의 평균 성공 확률을 추정한다.
• 구성 요소 서브회로 정밀도의 곱을 근사하는 평균 조정된 성공 확률 함수를 적용하여 원래 회로의 정밀도를 직접 추정한다.
• 노이즈 채널의 파울리 트윌과 유니타리 회전 성질에 기반하여 정밀도 추정이 강건하고 정확하도록 보장한다.
• 회로 깊이와 큐비트 수에 대해 선형으로 스케일링되며, 데이터 요구량이 큐비트 수와 무관하여 토모그래픽 방법의 지수적 증가 문제를 피한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 노이즈가 있고 시뮬레이션할 수 없는 양자 컴퓨터에서 양자 회로의 정밀도를 어떻게 효율적으로 추정할 수 있는가?
• RQ2 회로 크기에 따라 효율적으로 스케일링되며 하드웨어 노이즈에 강건한 검증 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ3 정밀도 추정을 실행 중인 양자 알고리즘의 특정 구조에서 얼마나 분리시킬 수 있는가?
• RQ4 이 방법은 NISQ 장치와 논리 큐비트를 갖춘 미래의 고장내성 시스템 모두에 적용할 수 있는가?
• RQ5 정확한 시뮬레이션 또는 알려진 오류 모델과 비교했을 때, 이 방법은 얼마나 정확하게 정밀도를 추정할 수 있는가?

주요 결과

• MCFE 프로토콜은 큐비트 수와 회로 깊이에 대해 선형 고전적 계산 복잡도를 달성하여 큰 회로로의 확장 가능성을 확보한다.
• 주어진 상대 정밀도로 정밀도를 추정하기 위해 필요한 실험 데이터의 양은 큐비트 수와 무관하여 지수적 오버헤드를 피한다.
• S, H, H+S, H-2Q의 네 가지 다른 오류 모델 하에서 QAOA 회로에 대한 시뮬레이션 결과, MCFE는 모든 모델에서 진짜 값과 1~2% 이내로 정밀도를 정확하게 추정한다.
• 스토케스틱 파울리 오차, 과도한 로테이션 하미르토니안 오차, 독립된 읽기 오차 등 다양한 노이즈 유형에서도 강건함을 유지한다.
• MCFE는 최대 100개의 물리적 큐비트를 갖는 회로에 대해 정밀도를 성공적으로 추정하여 근접한 양자 하드웨어에서의 실현 가능성을 보여준다.
• 이 프로토콜은 실용적이고 효율적이며 확장 가능한 방법으로 실행 정확도를 정량화함으로써 양자 우월성 주장의 검증을 가능하게 한다.