[논문 리뷰] Non-Markovian memory in IBMQX4

Joshua Morris, Felix A. Pollock외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 21.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 조건부 게이트 성능 분석을 통해 IBMQX4에서 비마르코프 메모리 효과를 입증하고 정량화한다. 모든 보편 게이트에서 뚜렷한 시간적 상관관계를 규명하며, 메모리 길이와 크기를 추정하고, 비마르코프성을 고려한 설계가 내재된 노이즈가 존재하는 상황에서도 더 깔끔하고 정확한 양자 계산을 가능하게 할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We measure and quantify non-Markovian effects in IBM's Quantum Experience. Specifically, we analyze the temporal correlations in a sequence of gates by characterizing the performance of a gate conditioned on the gate that preceded it. With this method, we estimate (i) the size of fluctuations in the performance of a gate, i.e., errors due to non-Markovianity; (ii) the length of the memory; and (iii) the total size of the memory. Our results strongly indicate the presence of non-trivial non-Markovian effects in almost all gates in the universal set. However, based on our findings, we discuss the potential for cleaner computation by adequately accounting the non-Markovian nature of the machine.

연구 동기 및 목표

• 실세계 초전도 양자 프로세서인 IBMQX4에서 비마르코프 효과를 탐지하고 정량화하는 것.
• 게이트 성능이 이전 작업에 어떻게 의존하는지 분석하여 시스템-환경 상호작용에서의 메모리 효과를 밝혀내는 것.
• 양자 프로세서 내 비마르코프 상관관계의 크기, 길이, 총 메모리 용량을 추정하는 것.
• 비마르코프 노이즈가 양자 오류 수정 및 벤치마킹 프로토콜에 끼치는 영향을 평가하는 것.
• 메모리 인식 펄스 시퀀스 설계를 통해 비마르코프 노이즈를 완화하는 전략을 제안하는 것.

제안 방법

• 첫 번째 게이트의 종류에 따라 조건부 게이트 허용도를 측정하기 위해 두 개의 게이트를 연속으로 적용하고, 두 번째 게이트의 성능을 분석하는 방식.
• 상태 준비 및 측정(SHAM) 오차를 고려하여 각 게이트의 효과적 양자 채널을 재구성하기 위해 양자 과정 톰그래피를 사용하는 것.
• 퍼트루베이티브 오차 모델을 적용하여 SHAM 유도 오차와 진정된 비마르코프 효과를 분리하고, 후자가 지배적임을 보여주는 것.
• IBMQX4에서 Z기저 측정 결과로부터 프로세스 행렬을 재구성하기 위해 파울리 기저 회전을 활용한 이중 상태 톰그래피 프레임워크를 사용하는 것.
• 이전 게이트 이력에 따라 게이트 성능의 편차를 분석하여 비마르코프성을 정량화하고, 허용도 기반 오차 지표를 사용하는 것.
• 제어-노트 게이트 시퀀스의 상관관계를 분석하여 메모리 길이와 총 메모리 크기를 추정하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IBMQX4의 게이트 오차는 얼마나 이전 게이트의 종류에 의존하는가? 이는 비마르코프 메모리를 시사하는가?
• RQ2 IBMQX4 프로세서에서 비마르코프 상관관계의 특성 시간 스케일(메모리 길이)은 무엇인가?
• RQ3 비마르코프 효과에 기여하는 총 메모리 용량(게이트 수 기준)은 어느 정도인가?
• RQ4 근접한 양자 하드웨어에서 비마르코프 노이즈는 SHAM 오차 및 기타 표준 노이즈 원천과 어떻게 구별될 수 있는가?
• RQ5 비마르코프적 구조는 더 나은 펄스 시퀀스 설계를 통해 노이즈를 완화하는 데 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 비마르코프 효과는 IBMQX4 보편 게이트 세트의 거의 모든 게이트에서 조건부 게이트 성능의 변동을 통해 뚜렷하게 나타나며, 강력한 존재를 보여준다.
• 시스템의 메모리 길이는 몇 개의 게이트 연산 수준으로 추정되며, 짧은 시간적 상관관계를 나타낸다.
• 총 메모리 용량은 비중대하지 않으며, 다수의 연속된 게이트를 거쳐도 측정 가능한 상관관계가 지속됨을 확인하였다.
• SHAM 오차는 작으며 관측된 비마르코프 효과를 설명하지 못함을 보여주어, 진정한 시스템-환경 메모리에서 기인한 결과임을 확인한다.
• 비마르코프성의 존재는 랜덤라이즈드 벤치마킹과 게이트 세트 톰그래피에서 일반적으로 가정하는 마르코프 노이즈를 위반한다.
• 이러한 발견들은 향후 양자 제어 전략이 비마르코프 메모리를 명시적으로 고려해야 하며, 이는 게이트 허용도 향상과 계산 정확도 향상에 기여할 수 있음을 시사한다.