[논문 리뷰] Noise-assisted digital quantum simulation of open systems

José D. Guimarães, James B.P. Lim외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 28.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 80인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 NISQ 장치 내부의 잡음 특성을 활용하여 개방 양자 시스템을 더 효율적으로 시뮬레이션할 수 있는 잡음 보조 디지털 양자 시뮬레이션 프레임워크를 소개한다. 무작위 컴파일링과 파울리 오차 보정을 조합함으로써 디코herence 속도를 선택적으로 제어하여 실제 및 에뮬레이션된 IBM Quantum 장치에서 개방 시스템 역학을 정확하게 시뮬레이션한다. 이는 고전적 린드블라드 방정식 해와 양호한 일치를 보여준다.

ABSTRACT

Quantum systems are inherently open and susceptible to environmental noise, which can have both detrimental and beneficial effects on their dynamics. This phenomenon has been observed in bio-molecular systems, where noise enables novel functionalities, making the simulation of their dynamics a crucial target for digital and analog quantum simulation. Nevertheless, the computational capabilities of current quantum devices are often limited due to their inherent noise. In this work, we present a novel approach that capitalizes on the intrinsic noise of quantum devices to reduce the computational resources required for simulating open quantum systems. Our approach combines quantum noise characterization methods with quantum error mitigation techniques, enabling us to manipulate and control the intrinsic noise in a quantum circuit. Specifically, we selectively enhance or reduce decoherence rates in the quantum circuit to achieve the desired simulation of open system dynamics. We provide a detailed description of our methods and report on the results of noise characterization and quantum error mitigation experiments conducted on both real and emulated IBM Quantum computers. Additionally, we estimate the experimental resource requirements for our techniques. Our approach holds the potential to unlock new simulation techniques in Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) devices, harnessing their intrinsic noise to enhance quantum computations.

연구 동기 및 목표

• 표준 오차 보정이 실용적이지 않은 노이지 중간 규모 양자(NISQ) 장치에서 개방 양자 시스템을 시뮬레이션하는 데 도전하는 데 목적을 두며.
• 장치 내부의 잡음이 장애물이 아니라 자원으로 활용될 수 있는지 탐색하는 데 목적을 두며.
• 양자 회로에서 디코herence 속도를 정밀하게 제어할 수 있는 방법을 개발하여 원하는 개방 시스템 역학을 시뮬레이션하는 데 목적을 두며.
• 현실적 및 에뮬레이션된 IBM Quantum 하드웨어에서 잡음 제어 기반 양자 시뮬레이션의 가능성을 입증하는 데 목적을 두며.

제안 방법

• 이 방법은 무작위 컴파일링을 활용하여 공명 잡음을 스토하스틱 파울리 잡음으로 변환함으로써, 파울리 오차 보정(PEM) 기법을 통해 효율적인 오차 보정을 가능하게 한다.
• 다른 스토하스틱 파울리 채널에 대해 비균일한 보정 요소를 적용함으로써, 양자 회로 내에서 디코herence 속도를 선택적으로 증가 또는 감소시킬 수 있다.
• 4 큐비트 시스템에서 린드블라드 마스터 방정식에 따른 시간 진화를 시뮬레이션하기 위해 1차 토트러-수즈키 분해를 사용한다.
• 실제 및 에뮬레이션된 IBM Quantum 장치(예: ibmq lagos)에서 잡음 특성을 분석하였으며, 결과는 린드블라드 방정식의 고전적 시뮬레이션과 검증되었다.
• 스토하스틱 파울리 채널은 확률적 오차 취소(PEC) 방법을 통해 효율적으로 제거될 수 있으므로, 제어에 이상적인 특성을 지닌다.
• 회로는 추가된 파울리 스트링이 단일 큐비트 게이트에 흡수되도록 컴파일되어, 회로 구조를 유지하면서도 잡음 조작이 가능해졌다.

Figure 1: Overview of the noise-assisted technique for digital quantum simulation of open system dynamics proposed in this work. The $k$ -th order Trotter-Suzuki decomposition of a time-evolution operator ${\rm exp}(-i\hat{H}t)$ is implemented on a quantum circuit for a given open-system Hamiltonian

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NISQ 장치 내부의 내재 잡음이 시스템적으로 제어되어 개방 양자 시스템 역학을 더 효율적으로 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 무작위 컴파일링과 파울리 오차 보정을 통해 양자 회로에서 디코herence 속도를 얼마나 정밀하게 조정할 수 있는가?
• RQ3 잡음 보조 시뮬레이션은 고전적 해와 비교해 얼마나 정확하게 개방 시스템의 역학을 재현하는가?
• RQ4 현재의 양자 하드웨어에서 잡음 제어 기반 양자 시뮬레이션을 구현하기 위한 실험적 자원 요구 사항은 무엇인가?

주요 결과

• 4 큐비트 개방 시스템에 대한 양자 시뮬레이션 결과는 해당 린드블라드 방정식의 고전적 해와 양호한 정성적 일치를 보였으며, 특히 감소된 두 큐비트 밀도 행렬의 인구 역학에서 뚜렷하게 확인되었다.
• 비균일한 보정 요소—주된 디코herence 채널에 대해 r_k = 0.5, 약한 채널에 대해 r_k' = 0.1—를 적용함으로써 디코herence 속도에 효과적인 제어가 가능했다.
• 무작위 컴파일링을 통해 공명 잡음을 성공적으로 스토하스틱 파울리 잡음으로 변환하였으며, 이는 PEC를 통한 효율적 오차 보정을 가능하게 하였다.
• 실제 및 에뮬레이션된 IBM Quantum 장치에서의 실험을 통해, 현실적인 NISQ 제약 조건 하에서 잡음 보조 시뮬레이션이 실현 가능하고 정확함을 입증하였다.
• PEC 프로토콜에서 단지 90C_tot^2개의 회로만으로도 개방 시스템 역학을 정확하게 시뮬레이션할 수 있었으며, 이는 낮은 자원 오버헤드를 의미한다.

Figure 2: (a) Error probabilities $\epsilon_{k}$ of stochastic Pauli noise channels estimated for a quantum circuit consisting of two qubits ( $n=2$ ) are shown where the real device ibmq jakarta with a circuit structure shown in Fig. 3 (a) was employed. The error probabilities of single-qubit noise