[논문 리뷰] Experimental demonstration of the advantage of adaptive quantum circuits

Michael Foss‐Feig, Arkin Tikku외 17명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 06.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 중간 회로 측정 및 피드포워드를 포함한 일정 깊이의 적응 양자 회로가 depth 4에서 토릭 코드 기저 상태를 충실도 76.9%로 준비할 수 있음을 실험적으로 보여주며, 같은 깊이의 순수 유닛ary 회로 중에서 상한이 50%로 제한되는 것을 입증한다.

ABSTRACT

Adaptive quantum circuits employ unitary gates assisted by mid-circuit measurement, classical computation on the measurement outcome, and the conditional application of future unitary gates based on the result of the classical computation. In this paper, we experimentally demonstrate that even a noisy adaptive quantum circuit of constant depth can achieve a task that is impossible for any purely unitary quantum circuit of identical depth: the preparation of long-range entangled topological states with high fidelity. We prepare a particular toric code ground state with fidelity of at least $76.9\pm 1.3\%$ using a constant depth ($d=4$) adaptive circuit, and rigorously show that no unitary circuit of the same depth and connectivity could prepare this state with fidelity greater than $50\%$.

연구 동기 및 목표

• 적응형 양자 회로가 고전적 처리를 활용해 양자 자원 요구를 줄일 수 있음을 동기화하고 시연한다.
• 상수 깊이의 적응 회로가 유닛ary 회로만으로는 달성할 수 없는 긴 거리 얽힘 상태를 준비할 수 있음을 보인다.
• 같은 하드웨어 제약 하에서 적응 회로와 비적응 회로를 구분하는 검증 가능한 충실도 지표를 제공한다.
• 이론적 경계치를 검증하기 위해 트랩된 이온 양자 컴퓨터에서 프로토콜을 구현하고 테스트한다.

제안 방법

• 데이터 큐비트의 초기 곱 상태를 |+>로 준비하고 ancilla 큐비트를 사용해 Z-타입 안정자를 측정하여 기하를 정의한다.
• Z-안정자 측정 결과에 따라 X 보정을 조건화하는 고전적 피드포워드를 적용하여 결함을 제거하고 바닥 상태 표면을 도달한다.
• 깊이-4의 적응 회로를 사용하여 오픈 경계가 있는 회전된 표면 코드의 논리적 |+> 상태를 준비한다.
• 대상 논리 상태와의 중첩을 추정하기 위해 두 기준 측정을 통해 충실도를 추정한다.
• 동일 기하 및 깊이에서 충실도가 50%를 넘지 않는 깊이-4의 로컬 유닀리 회로 경계와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일 기하에서 상수 깊이의 적응 회로가 같은 기하에서 어떤 상수 깊이의 로컬 유닀리 회로보다 높은 충실도로 긴 거리 얽힘 토릭 코드 기저 상태를 준비할 수 있는가?
• RQ2 동일 자원 제약 하에서 적응 피드포워드를 구분하는 어떤 충실도 한계가 순수한 유닀리 회로를 구별하는가?
• RQ3 중간 회로 측정과 실시간 고전 처리은 고정 깊이 내에서 토폴로지적 순서를 갖는 상태의 준비를 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 적응 깊이-4 회로가 토릭 코드 기저 상태에 대해 F ≥ 0.769의 충실도와 ±0.013의 불확실성을 달성한다.
• 상한은 동일 기하에서 깊이-4 로컬-유닀리 회로가 충실도 0.5를 넘지 못함을 보여준다.
• 실험 구현은 Quantinuum H1-1에서 19 큐비트(데이터 12, 애드피시아 7)로 실시간 고전 로직을 사용했다.
• 충실도 추정은 X- 및 Z-기저 측정으로부터 P_x 및 P_z 프로젝션을 사용하여 F ≥ ⟨P_x⟩ + ⟨P_z⟩ − 1로 F를 하한으로 bound한다.
• 이 결과는 동일 깊이와 연결성에서 비적응 회로에 비해 적응 회로의 검증 가능한 우위를 입증한다.