[논문 리뷰] Programming a quantum computer with quantum instructions

Morten Kjærgaard, Mollie E. Schwartz외 21명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 23.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 23인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 양자 상태에 의해 인코딩된 양자 명령어를 밀도 행렬 지수화(DME) 프로토콜을 통해 실행하는 최초의 실험적 실현을 보여주며, 99.7%의 정밀도를 가진 제어된-상태 게이트를 사용한다. 이 방법은 70 이상의 회로 깊이에서 90% 이상의 알고리즘 정밀도를 달성하여, 비용이 많이 드는 상태 재구성 및 재컴파일의 필요성을 피하고, 양자 주성분 분석 및 얽힘 스펙트럼 측정과 같은 양자 알고리즘에서 지수적 속도 향상을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The equivalence between the instructions used to define programs and the input data on which the instructions operate is a basic principle of classical computer architectures and programming. Replacing classical data with quantum states enables fundamentally new computational capabilities with scaling advantages for many applications, and numerous models have been proposed for realizing quantum computation. However, within each of these models, the quantum data are transformed by a set of gates that are compiled using solely classical information. Conventional quantum computing models thus break the instruction-data symmetry: classical instructions and quantum data are not directly interchangeable. In this work, we use a density matrix exponentiation protocol to execute quantum instructions on quantum data. In this approach, a fixed sequence of classically-defined gates performs an operation that uniquely depends on an auxiliary quantum instruction state. Our demonstration relies on a 99.7% fidelity controlled-phase gate implemented using two tunable superconducting transmon qubits, which enables an algorithmic fidelity surpassing 90% at circuit depths exceeding 70. The utilization of quantum instructions obviates the need for costly tomographic state reconstruction and recompilation, thereby enabling exponential speedup for a broad range of algorithms, including quantum principal component analysis, the measurement of entanglement spectra, and universal quantum emulation.

연구 동기 및 목표

• 양자 명령어를 양자 데이터로 취급함으로써 양자 계산 아키텍처에서 동일형성(homoiconicity)을 달성하고자 한다.
• 동적 명령어 생성이 필요한 양자 알고리즘에서 발생하는 고전적 상태 재구성 및 재컴파일의 지수적 오버헤드를 극복하고자 한다.
• 클래식 비트 스트링이 아닌 양자 상태에 인코딩된 명령어를 사용하는, 확장 가능한 실험적으로 구현 가능한 양자 프로그램 실행 방법을 제시하고자 한다.
• 초전도 큐비트를 사용하여 고정밀도 게이트와 양자 측정 기술을 적용해 DME2 프로토콜을 검증하고자 한다.
• 클래식 컴파일 블로킹 요소를 제거함으로써, 양자 주성분 분석 및 얽힘 스펙트럼 측정과 같은 양자 알고리즘에서 지수적 속도 향상을 가능하게 하고자 한다.

제안 방법

• 보조 양자 상태에 인코딩된 양자 명령어를 타겟 양자 데이터 상에서 실행하기 위해 밀도 행렬 지수화(DME) 프로토콜을 사용한다.
• 클래식적으로 정의된 고정된 게이트 시퀀스를 사용하여, 명령어 상태의 양자 상태에 따라 조건부로 작동하게 하여, 명령어의 양자 상태에 의존하는 유니터리 진동을 가능하게 한다.
• DME 프로토콜을 구현하기 위한 핵심 양자 게이트로, 99.7%의 정밀도를 가진 조절 가능한 초전도 제어-상태 게이트를 활용한다.
• 완전한 상태 재구성 없이도 양자 명령어 상태를 준비하고 검증하기 위해 시뮬레이션된 양자 측정 기법을 적용한다.
• 9 큐비트의 양자 프로세서와 트랜스몬 큐비트를 사용하여 DME2 알고리즘을 구현하며, 명령어 상태는 계산 기저 상태의 중첩으로 준비된다.
• 과정 재구성과 정밀도 기준을 사용하여 실험 결과를 이상화된 시뮬레이션과 이론적 모델과 비교함으로써, 다양한 명령어 설정에서의 알고리즘 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 명령어는 양자 데이터 상에서 직접 인코딩되고 실행될 수 있는가? 즉, 양자 계산에서 진정한 동일형성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 DME2 프로토콜은 고전적 컴파일링 및 상태 재구성보다 양자 알고리즘에서 지수적 속도 향상을 가능하게 하는가?
• RQ3 초전도 큐비트를 사용할 때, 양자 명령어 실행의 정밀도를 유지할 수 있는 최대 회로 깊이는 얼마인가?
• RQ4 DME2 프로토콜의 정밀도는 각도 매개변수 θ와 회로 깊이에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 고정된 클래식 제어 펄스 세트와 동적으로 인코딩된 양자 명령어 상태만으로 DME2 프로토콜을 실행할 수 있는가?

주요 결과

• DME2 프로토콜은 θ = π/2일 때 0.91, θ = π일 때 0.87의 과정 정밀도를 기록하여, 모든 명령어 설정에서 고정밀도 실행을 입증하였다.
• 회로 깊이가 70을 초과할 때 알고리즘 정밀도가 90% 이상을 유지하였으며, 깊이 73일 때도 출력 상태 정밀도가 0.9 초과를 기록하였다.
• DME2의 실험적 구현 결과가 고전적 시뮬레이션과 비교했을 때, θ = π/2일 때 0.91, θ = π일 때 0.87의 정밀도를 기록하여, 다양한 명령어 상태에서의 강건성을 확인하였다.
• 비용이 많이 드는 상태 재구성과 재컴파일이 필요 없어지면서, 양자 알고리즘에서 직접적으로 지수적 속도 향상의 길을 열었다.
• 99.7%의 정밀도를 가진 제어-상태 게이트는 고정밀도 실행을 가능하게 하였으며, 이론적 예측과 일치하는 오차 스케일링을 보였다.
• 결과는 양자 상태를 명령어로 사용하는 것이 가능함을 검증하였으며, 확장 가능하고 자가 포함된 양자 프로그래밍의 새로운 패러다임을 구축하였다.