[논문 리뷰] Mitigating noise in digital and digital-analog quantum computation

Paula García-Molina, Ana Belén Barragán Martín외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 27.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 노이즈 중간 규모 양자(NISQ) 시대의 디지털 양자 계산(DQC)에 비해 노이즈에 더 강건한 대안으로 디지털-아날로그 양자 계산(DAQC)을 제안한다. 빠른 1 큐비트 게이트와 양자 얽힘 연산을 위한 자연스러운 해밀토니안 진화를 조합함으로써 DAQC는 제어 오차와 크로스톐크에 대한 민감도를 감소시킨다. 시뮬레이션 결과, 실질적인 초전도 큐비트 노이즈 조건 하에서 QFT와 위상 추정에 대해 DAQC가 DQC보다 더 높은 편밀도를 달성하며, 큐비트 수가 증가할수록 이 이점이 커진다.

ABSTRACT

Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) devices lack error correction, limiting scalability for quantum algorithms. In this context, digital-analog quantum computing (DAQC) offers a more resilient alternative quantum computing paradigm that outperforms digital quantum computation by combining the flexibility of single-qubit gates with the robustness of analog simulations. This work explores the impact of noise on both digital and DAQC paradigms and demonstrates DAQC's effectiveness in error mitigation. We compare the quantum Fourier transform and quantum phase estimation algorithms under a wide range of single and two-qubit noise sources in superconducting processors. DAQC consistently surpasses digital approaches in fidelity, particularly as processor size increases. Moreover, zero-noise extrapolation further enhances DAQC by mitigating decoherence and intrinsic errors, achieving fidelities above 0.95 for 8 qubits, and reducing computation errors to the order of $10^{-3}$. These results establish DAQC as a viable alternative for quantum computing in the NISQ era.

연구 동기 및 목표

• 디지털-아날로그 양자 계산(DAQC)이 NISQ 시대에 디지털 양자 계산(DQC)보다 노이즈에 더 강건한가를 평가하는 것.
• 초전도 큐비트 프로세서에 존재하는 실질적인 노이즈 원천(예: 진폭 감쇠, 비트 플립, 분산 노이즈) 하에서 DQC와 DAQC의 성능을 비교하는 것.
• 큐비트 수가 증가함에 따라 DAQC의 확장성과 DQC에 비해 어떤가를 조사하는 것.
• 노이즈 효과를 추가로 억제하기 위해 DAQC 프레임워크에 적합한 양자 오차 보정 기법(예: 제로 노이즈 외삽, 리처드슨 외삽)을 적용하는 것.
• 기준 양자 알고리즘인 양자 푸리에 변환(QFT)과 양자 위상 추정(QPE)을 사용하여 DAQC의 효과성을 검증하는 것.

제안 방법

• DQC와 DAQC 철학을 모두 사용하여 3-큐비트 및 6-큐비트 시스템에서 양자 푸리에 변환(QFT)과 양자 위상 추정(QPE) 알고리즘을 시뮬레이션한다.
• 초전도 큐비트 하드웨어 기반의 종합적인 노이즈 모델을 구현하며, T1 붕괴, T2 위상 분산, 진폭 감쇠, 비트 플립, 분산 채널을 포함한다.
• 디지털-아날로그 철학(DAQC)을 적용하여 빠른 1 큐비트 게이트를 사용하고, 두 큐비트 상호작용 해밀토니안을 자연스럽게 진화시켜 얽힘 연산을 수행한다.
• 노이즈가 있는 DAQC 회로에 대해 양자 오차 보정 기법(제로 노이즈 외삽, 리처드슨 외삽, 파울리 오차 보정)을 적용하여 이상적인 결과를 복원한다.
• 편밀도와 기대값(예: ⟨Z₀⟩)을 메트릭으로 사용하여 성능을 평가하며, 노이즈가 있는 결과를 이상 목표값과 비교한다.
• 큐비트 수가 증가함에 따라 DQC, sDAQC(단일 아날로그 블록), bDAQC(블록 단위 아날로그 진화) 간의 편밀도와 기대값 정확도를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 초전도 큐비트 노이즈 조건 하에서 QFT에 대해 DAQC와 DQC의 편밀도는 어떻게 비교되는가?
• RQ2 시스템의 큐비트 수가 증가함에 따라 DAQC가 DQC를 능가하는 성능 이점이 커지는가?
• RQ3 양자 오차 보정 기법은 DAQC 프레임워크에 효과적으로 적응되어 노이즈 영향을 억제할 수 있는가?
• RQ4 아날로그 블록 구조 선택(sDAQC 대 bDAQC)이 특히 비트 플립 오차에 대한 내성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 오차 보정을 통해 노이즈가 있는 DAQC 회로에서 ⟨Z₀⟩와 같은 기대값을 얼마나 정확하게 복원할 수 있는가?

주요 결과

• 3 큐비트 QFT 회로에서 bDAQC는 동일한 노이즈 모델 하에서 약 90%의 편밀도를 달성하며, sDAQC(약 85%)와 DQC(약 80%)를 능가한다.
• 큐비트 수가 증가함에 따라 bDAQC와 DQC 간의 편밀도 격차가 커지며, 이는 DAQC 철학의 우수한 확장성을 시사한다.
• bDAQC 접근법은 T₁ = 50 μs, p = 0.35와 같은 심각한 노이즈 조건에서도 높은 편밀도를 유지하며, 오차 보정을 통해 ⟨Z₀⟩ 오차를 ε ≈ 0.0003으로 감소시킨다.
• 리처드슨 외삽을 통한 오차 보정은 ⟨Z₀⟩ ≈ 0.2883을 복원하며, 이상 값에 매우 가까운 높은 정확도를 보여, 상태 복원의 높은 정밀도를 입증한다.
• 편밀도와 기대값 결과는 실질적인 노이즈 조건 하에서 bDAQC가 DQC보다 이상 양자 상태에 더 가까운 근사치를 제공함을 확인한다.
• 본 연구는 오차 보정 기법이 DAQC에 성공적으로 적응될 수 있음을 보여주며, DAQC가 NISQ 시대의 양자 계산 철학으로서의 타당성을 강화한다.