[논문 리뷰] Extending the computational reach of a noisy superconducting quantum processor

Abhinav Kandala, Kristan Temme외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 11.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 28인용 수 118

한 줄 요약

본 논문은 5-qubit 초전도 프로세서에서 zero-noise extrapolation error mitigation을 실험적으로 구현하여 양자화학 및 양자 자성 분야의 변분 고유값 문제를 다루는 짧은 깊이의 양자 회로 정확도를 향상시킨다.

ABSTRACT

Quantum computation, a completely different paradigm of computing, benefits from theoretically proven speed-ups for certain problems and opens up the possibility of exactly studying the properties of quantum systems. Yet, because of the inherent fragile nature of the physical computing elements, qubits, achieving quantum advantages over classical computation requires extremely low error rates for qubit operations as well as a significant overhead of physical qubits, in order to realize fault-tolerance via quantum error correction. However, recent theoretical work has shown that the accuracy of computation based off expectation values of quantum observables can be enhanced through an extrapolation of results from a collection of varying noisy experiments. Here, we demonstrate this error mitigation protocol on a superconducting quantum processor, enhancing its computational capability, with no additional hardware modifications. We apply the protocol to mitigate errors on canonical single- and two-qubit experiments and then extend its application to the variational optimization of Hamiltonians for quantum chemistry and magnetism. We effectively demonstrate that the suppression of incoherent errors helps unearth otherwise inaccessible accuracies to the variational solutions using our noisy processor. These results demonstrate that error mitigation techniques will be critical to significantly enhance the capabilities of near-term quantum computing hardware.

연구 동기 및 목표

• 하드웨어 자원을 추가하지 않고 비상관성 오류를 완화하여 근시안적 하드웨어에서 양자 계산의 개선을 촉진한다.
• 제로-noise extrapolation가 초전도 큐빗에서 단일 및 이중 큐비트 실험의 기대값 정확도를 향상시킬 수 있음을 보여준다.
• 오류 완화를 하드웨어 효율적 변분 양자 고유값 알고리즘으로 확장하여 스핀 모델과 작은 분자에 적용한다.
• 비상관성 오류 억제가 더 깊은 회로를 가능하게 하여 더 정확한 변분 해를 제공한다는 것을 정량화한다.

제안 방법

• 모든 양자 회로를 Pauli 연산자 Pα와 함께 시간 의존적 구동 K(t)로의 진화로 표현한다.
• Richardson의 지연 접근법을 사용하여 확장된 노이즈 레벨 c_iλ에서의 측정치를 결합하여 보정된 추정치 E*K(λ)을 구성한다.
• 하드웨어 변경 없이 확장된 노이즈 강도를 모의하기 위해 시간-변환 불변 노이즈를 갖는 K^I(t) 스케일된 구동 프로토콜을 구현한다.
• 게이트 길이, 상승/하강 시간 및 버퍼를 인자 c_i로 곱해 늘리고 {c_i}에 대한 선형 제약으로 ÊK^n(λ)을 실현하기 위해 보정한다.
• 제로-노이즈 외삽을 Heisenberg, H2, LiH 문제에 대해 무작위 단일- 및 이중-클리포드 회로와 하드웨어 효율적 VQE Ansätze에 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제로 노이즈 외삽이 근접-기술 노이즈 초전도 양자 프로세서의 변분 알고리즘에 대한 유용한 계산 도달 범위를 확장할 수 있는가?
• RQ2 오류 완화가 하드웨어 효율적 VQE의 수렴 및 정확성에 어떤 영향을 주는가? (양자 자성 및 소분자 시스템에 대해)
• RQ3 제로-노이즈 외삽 구현에 영향을 주는 실용적 고려사항(코히런스 변동, 샘플링, 게이트 비선형성)은 무엇인가?

주요 결과

• 제로-노이즈 외삽은 단일 큐비트 및 이중 큐비트 실험에서 고차 오류 항을 억제하고 무노이즈 한계로의 추정치를 개선한다.
• 완화가 하드웨어 효율적 더 깊은 시험 회로로 더 정확한 에너지를 Heisenberg 스핀 모델에서 가능하도록 한다.
• 완화된 에너지와 Pauli 항 기대값은 H2 및 LiH에서 보정되지 않은 경우보다 정확한 결과와 더 잘 일치하며, 유사한 코히런스 특성을 사용한다.
• 샘플링 분산과 코히런스 시간 변동은 핵심 요인이며, 부트스트래핑으로 완화 오차를 추정하고 더 빠른 초기화가 결과를 더욱 향상시킨다.
• 본 접근법은 문제에 의존하지 않으며 게이트 특성화 및 양자 최적화 노력을 보완하고 오류 수정 하드웨어가 필요하지 않다.