[논문 리뷰] Quantum-classical processing and benchmarking at the pulse-level

Lior Ella, Lorenzo Leandro외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 07.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 펄스 수준의 양자-고전 처리(QCP)를 정의하고, 그 요구 사항을 분류하며, 사용 사례를 제시하고, 양자 컨트롤러를 평가하기 위한 벤치마크 모음과 펄스 수준 프로그래밍 접근법을 제안한다.

ABSTRACT

Towards the practical use of quantum computers in the NISQ era, as well as the realization of fault-tolerant quantum computers that utilize quantum error correction codes, pressing needs have emerged for the control hardware and software platforms. In particular, a clear demand has arisen for platforms that allow classical processing to be integrated with quantum processing. While recent works discuss the requirements for such quantum-classical processing integration that is formulated at the gate-level, pulse-level discussions are lacking and are critically important. Moreover, defining concrete performance benchmarks for the control system at the pulse-level is key to the necessary quantum-classical integration. In this work, we categorize the requirements for quantum-classical processing at the pulse-level, demonstrate these requirements with a variety of use cases, including recently published works, and propose well-defined performance benchmarks for quantum control systems. We utilize a comprehensive pulse-level language that allows embedding universal classical processing in the quantum program and hence allows for a general formulation of benchmarks. We expect the metrics defined in this work to form a solid basis to continue to push the boundaries of quantum computing via control systems, bridging the gap between low-level and application-level implementations with relevant metrics.

연구 동기 및 목표

• 펄스 수준에서 QCP를 정의하고 분류하며, NISQ 및 fault-tolerant quantum computing에서의 중요성을 제시한다.
• 다른 피드백 유형과 피드백 대기 시간 범주(QRT, SRT, NRT)를 식별하고 이를 코히런스 및 드ift 시간 척도와 관련지어 설명한다.
• QPU 구체성에 독립적인 통합된 언어 기반 벤치마킹 프레임워크를 제안한다.
• 제어 흐름, 조건부 연산 및 매개변수 업데이트에 걸친 사용 사례를 시연하여 실용적인 QCP 요구사항을 설명한다.
• 벤치마크를 위한 QUA를 사용하는 펄스 수준 프로그래밍 접근법을 제시하고 벤치마크를 위한 시간 결정적 동작을 강제한다.

제안 방법

• 피드백 유형(조건부 연산, 제어 흐름, 매개변수 업데이트)과 피드백 대기 시간 범주(QRT, SRT, NRT)로 구성된 QCP의 2차원 분류 체계를 도입한다.
• 큐비트 코히런스 시간, 드ift 시간 척도 및 작동 지속 시간에 고정된 QRT/SRT/NRT 타이밍 정의를 사용하여 벤치마크의 필요성을 제시한다.
• 컨트롤러 성능을 고립하기 위한 포괄적인 펄스 수준 벤치마크 세트(BM1.1, BM1.2, BM1.3)와 다양한 변형을 설명한다.
• 엄격한 타이밍과 데이터 스트리밍을 갖춘 동시 양자 연산과 고전 처리를 표현하기 위해 QUA를 펄스 수준 프로그래밍 언어로 채택한다.
• 측정-처리-출력 지연 시간을 컨트롤러 벤치마크의 핵심 지표로 정의하고 실무에서 입력/출력을 측정하는 방법을 자세히 설명한다.
• 예제 코드 조각으로 벤치마크를 설명하고 이를 실제 사용 사례(예: active reset, 반복적 위상 추정)로 매핑하는 방법을 논의한다.

Figure 1: Examples of required functionalities and use cases that the ideal quantum controller should support, divided onto two conceptual dimensions: feedback types and timing regime for such feedback to be useful.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NISQ 및 fault-tolerant 맥락에서 효과적인 양자-고전 처리(QCP)를 위한 필수 펄스 수준 요구사항은 무엇인가?
• RQ2 QCP 대기 시간이 코히런스, 드ift 및 회로 시간 척도(QRT, SRT, NRT)에 상대적으로 어떻게 범주화되어야 하는가?
• RQ3 QRT 및 SRT 사용 사례 전반에서 양자 컨트롤러를 공정하게 비교할 수 있는 벤치마크 모음과 프로그래밍 접근 방식은 무엇인가?
• RQ4 QCP를 위해 QUA를 통한 펄스 수준 프로그래밍이 결정적 타이밍, 조건부 연산 및 매개변수 업데이트를 어떻게 표현할 수 있는가?
• RQ5 펄스 수준 제어와 고전 처리 간의 상호 작용을 보여주는 구체적인 사용 사례는 무엇인가?

주요 결과

• QCP에 대한 명확한 분류 체계가 확립되었으며, 피드백 유형(조건부 연산, 제어 흐름, 매개변수 업데이트)을 대기 시간 범주(QRT, SRT, NRT)와 분리한다.
• 펄스 수준 벤치마크 모음(BM1.1–BM1.3)은 단일 샷 QRT 시나리오에서의 컨트롤러 성능을 측정하기 위해 제안되며, 조건부 연산, 제어 흐름 및 매개변수 업데이트를 포함한다.
• 지연 시간 측정은 마지막 종속 측정의 샘플링 시점부터 첫 번째 종속 출력 펄스까지의 시간으로 정의되며, 컨트롤러와 QPU 간의 명확한 인터페이스를 갖는다.
• QPU에 의존하지 않는 벤치마크가 설명되어 컨트롤러의 구성요소별 비교를 가능하게 하고 하드웨어 특성에 독립적인 펄스 수준 QCP의 엔드투엔드 평가를 가능하게 한다.
• 실용적 시연과 예제 QUA 코드는 QCP가 펄스 수준 프로그램에 어떻게 내재될 수 있는지, 엄격한 타이밍을 강제하고 실시간 또는 준실시간 처리를 위한 고전적 결과의 스트리밍을 가능하게 하는 방법을 보여준다.

Figure 2: Rabi oscillations discretized into $\pi/2$ rotations and repeated 10 times to observe instability, with feedback-based re-calibration of the Rabi rate either not applied a) or applied b) . The Rabi rate corrections are performed in system-real-time using the OPX+ [ 22 ] . Figure courtesy o