[논문 리뷰] Exploiting dynamic quantum circuits in a quantum algorithm with superconducting qubits

Antonio Córcoles, Maika Takita외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 02.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 68인용 수 161

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트에서 동적 양자 회로의 최초 실험적 구현을 보여주며, 적응형 양자 위상 추정(IPE)을 사용하여 자원 소비를 줄이고 위상 추정 정확도를 향상시킨다. 중간 회로 측정과 실시간 고전적 피드백을 통해 저소음 및 저지연 조건에서 비적응형 대비 동적 회로가 실질적인 이점을 제공할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

The execution of quantum circuits on real systems has largely been limited to those which are simply time-ordered sequences of unitary operations followed by a projective measurement. As hardware platforms for quantum computing continue to mature in size and capability, it is imperative to enable quantum circuits beyond their conventional construction. Here we break into the realm of dynamic quantum circuits on a superconducting-based quantum system. Dynamic quantum circuits involve not only the evolution of the quantum state throughout the computation, but also periodic measurements of a subset of qubits mid-circuit and concurrent processing of the resulting classical information within timescales shorter than the execution times of the circuits. Using noisy quantum hardware, we explore one of the most fundamental quantum algorithms, quantum phase estimation, in its adaptive version, which exploits dynamic circuits, and compare the results to a non-adaptive implementation of the same algorithm. We demonstrate that the version of real-time quantum computing with dynamic circuits can offer a substantial and tangible advantage when noise and latency are sufficiently low in the system, opening the door to a new realm of available algorithms on real quantum systems.

연구 동기 및 목표

• 실제 양자 하드웨어에서 동적 양자 회로의 가능성과 이점을 탐색하기 위해.
• 초전도 큐비트 프로세서에서 반복적 위상 추정(IPE) 알고리즘의 적응형 및 비적응형 버전을 구현하고 비교하기 위해.
• 노이즈 조건 하에서 실시간 고전적 처리가 양자 회로 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 시스템 지연과 노이즈가 최소화될 경우 동적 회로가 양자 알고리즘의 자원 오버헤드를 줄일 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 초전도 큐비트 프로세서에서 중간 회로 측정과 실시간 고전적 피드백을 적용한 반복적 위상 추정(IPE)을 구현하기 위해.
• 각 측정 결과를 바탕으로 후속 Z-회전을 조건화하기 위해 단일 앤실라 큐비트를 사용해 위상 비트를 순차적으로 추정하기 위해.
• 측정 결과를 바탕으로 다음 회전 각도를 결정하기 위한 고전적 논리를 적용하며, 결정은 시스템의 코herence 시간 내에 완료된다.
• 게이트 및 측정 정밀도를 평가하기 위해 무작위 벤치마킹과 토모그래피 검증을 사용하기 위해.
• 동일한 노이즈 및 하드웨어 제약 조건 하에서 IPE(동적)와 표준 Kitaev QPE(비적응형) 간의 자원 효율성 비교하기 위해.
• 위상 추정 정확도를 위한 샘플링 요구량을 추정하기 위해 Hoeffding의 부등식을 사용하여 자원 트레이드오���을 안내하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간 회로 측정과 실시간 고전적 피드백을 갖춘 동적 양자 회로를 초전도 큐비트 프로세서에서 구현할 수 있는가?
• RQ2 실제 노이즈 및 지연 조건 하에서 적응형 위상 추정(IPE)이 자원 효율성 측면에서 비적응형 위상 추정보다 뛰어나게 작용하는가?
• RQ3 고전적 처리 지연과 측정 정밀도가 동적 양자 회로 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 어느 정도의 정도로 동적 회로는 특정 위상 추정 정확도를 확보하기 위해 필요한 회로 반복 수를 줄일 수 있는가?
• RQ5 노이즈가 있는 중간 규모 양자(NISQ) 장치에서 고전적 처리와 양자 처리 간의 상호보완적 상호작용이 전체 알고리즘 성능에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 적응형 IPE 프로토콜은 오차 2.905 × 10⁻⁴로 7비트 위상 근사치를 달성하여 노이즈가 있는 하드웨어에서도 고정밀 위상 추정을 실현하였다.
• 각 측정 단계에서 100회의 샷만으로도 위상 추정 정확도가 1/2⁸ = 1/256에 해당하는 7비트 근사치를 달성하였다.
• 동적 회로는 비적응형 Kitaev QPE에 비해 총 회로 반복 수를 줄이는 데 성공하였으며, 특히 비적응형 방법의 지수적 샘플링 증가를 고려할 때 유의미한 이점이 있었다.
• 시스템은 실시간 고전적 피드백이 코herence 시간 내에 실행 가능함을 입증하여 현재 NISQ 장치에서 실질적인 동적 회로 실행의 가능성을 입증하였다.
• 노이즈와 지연이 충분히 낮을 경우 동적 회로가 실질적인 이점을 제공함을 입증하였으며, 향후 양자 알고리즘에서의 잠재력을 확인하였다.
• 이 연구는 중간 회로 측정과 고전적 피드백이 초전도 큐비트 시스템에서 신뢰성 있게 실행 가능하다는 점을 확인하였으며, 양자 오류 수정 및 텔레포테이션과 같은 복잡한 알고리즘으로의 길을 열었다.