[논문 리뷰] Faster and More Reliable Quantum SWAPs via Native Gates

Pranav Gokhale, Teague Tomesh외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 27.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 IBM 하드웨어에서 속도와 정밀도를 향상시키기 위해 기본 초전도 큐비트 게이트를 활용한 최적화된 양자 SWAP 게이트를 제안한다. 네 가지 기법—SWAP 방향 설정, 교차 게이트 펄스 상쇄, 교차 공명 통한 교환, 교차 공명 극성 조정—을 적용하여 SWAP 지속 시간을 11% 단축하고 정밀도를 13% 향상시켰으며, 校정 오 overhead 없이도 이를 달성하여 응용 벤치마크에서 성공률이 10–40% 향상되었다.

ABSTRACT

Due to the sparse connectivity of superconducting quantum computers, qubit communication via SWAP gates accounts for the vast majority of overhead in quantum programs. We introduce a method for improving the speed and reliability of SWAPs at the level of the superconducting hardware's native gateset. Our method relies on four techniques: 1) SWAP Orientation, 2) Cross-Gate Pulse Cancellation, 3) Commutation through Cross-Resonance, and 4) Cross-Resonance Polarity. Importantly, our Optimized SWAP is bootstrapped from the pre-calibrated gates, and therefore incurs zero calibration overhead. We experimentally evaluate our optimizations with Qiskit Pulse on IBM hardware. Our Optimized SWAP is 11% faster and 13% more reliable than the Standard SWAP. We also experimentally validate our optimizations on application-level benchmarks. Due to (a) the multiplicatively compounding gains from improved SWAPs and (b) the frequency of SWAPs, we observe typical improvements in success probability of 10-40%. The Optimized SWAP is available through the SuperstaQ platform.

연구 동기 및 목표

• 희박한 큐비트 연결성으로 인해 초전도 양자 프로세서에서 SWAP 게이트가 성능 저하를 일으키는 문제를 줄이기 위해.
• 표준 회로 수준 추상화를 건너뛰어 기본 게이트 수준에서 SWAP 게이트의 속도와 정밀도를 향상시키기 위해.
• 사전 校정된 기본 게이트를 활용하여 추가 校정 오 overhead 없이 이러한 향상을 달성하기 위해.
• 무작위 기준 측정 및 응용 수준의 벤치마크를 사용하여 실제 IBM Quantum 하드웨어에서 방법을 실험적으로 검증하기 위해.
• 최적화된 큐비트 통신으로 인해 실제 양자 응용 프로그램에서 정밀도 향상 효과가 누적되는 것을 보여주기 위해.

제안 방법

• 기본 게이트 특성에 기반해 더 빠르고 신뢰도가 높은 CNOT-NOTC-CNOT 또는 NOTC-CNOT-NOTC 분해 중 하나를 선택하는 SWAP 방향 설정을 적용한다.
• 제어 큐비트와 타겟 큐비트 간의 불필요한 공명 상호작용을 상쇄시켜 간섭과 비정상 상태 유도를 억제하는 교차 게이트 펄스 상쇄를 사용한다.
• 비접속된 연산이 서로 교환 가능하도록 게이트 시퀀스를 재구성하여 오류 발생 가능성이 높은 상호작용을 줄인다.
• 게이트 위상과 잔류 얽힘을 줄이기 위해 교차 공명 극성을 조정하여 게이트 정밀도를 향상시킨다.
• 사전 校정된 기본 게이트로 최적화된 SWAP를 구성하여 校정 오 overhead 가 0이 되도록 보장한다.
• 22개의 큐비트 쌍에 대해 IBMQ Johannesburg에서 Interleaved Randomized Benchmarking (IRB)을 사용하여 검증하였으며, 게이트 오류율을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기본 게이트 수준 최적화를 통해 校정 오 overhead 없이 SWAP 게이트 지속 시간을 단축하고 정밀도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 간섭과 잔류 얽힘은 SWAP 게이트 성능에 어떤 영향을 미치며, 펄스 수준 설계로 이를 완화할 수 있는가?
• RQ3 최적화된 SWAP는 실제 양자 프로그램에서 종단 간 응용 성공률을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 높은 통신 오버헤드로 인해 여러 연산에서 최적화된 SWAP의 성능 향상 효과가 누적적으로 작용할 수 있는가?
• RQ5 다양한 큐비트 쌍에서 최적화된 SWAP는 표준 SWAP에 비해 오류율과 신뢰성 측면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 최적화된 SWAP는 표준 SWAP 대비 11% 빠르며, IBMQ Casablanca에서 지속 시간이 3968 dt(882 ns)로 표준 SWAP의 4448 dt(988 ns)보다 짧다.
• Interleaved Randomized Benchmarking 측정 결과, 최적화된 SWAP는 표준 SWAP 대비 13% 더 높은 정밀도를 기록한다.
• IBMQ Johannesburg의 22개 큐비트 쌍에서 최적화된 SWAP는 성공률 감쇠 속도 측면에서 항상 표준 SWAP를 앞선다.
• 응용 수준의 벤치마크 결과, 더 빠르고 신뢰도가 높은 SWAP의 누적 효과로 인해 성공 확률이 10–40% 향상되었다.
• 사전 校정된 기본 게이트를 기반으로 하므로 校정 오 overhead 가 전혀 발생하지 않는다.
• 최적화된 SWAP는 SuperstaQ 플랫폼 통해 직접 양자 프로그램에서 사용할 수 있다.