[논문 리뷰] Quantum computing hardware for HEP algorithms and sensing

M. Sohaib Alam, S. Belomestnykh외 38명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 19.

Electronic and Structural Properties of Oxides인용 수 24

한 줄 요약

두 가지 유망한 초전도 양자 아키텍처를 연구—고에너지 물리(HEP) 알고리즘용 3D 캐비티 기반 퀘딧(쿳트리/퀘딧)과 2D 캐비티 기반 퀘딧—인코딩, 확장성, 인터커넥트, 에러 보호, 잠재적 HEP 응용 및 센싱에 대한 논의.

ABSTRACT

Quantum information science harnesses the principles of quantum mechanics to realize computational algorithms with complexities vastly intractable by current computer platforms. Typical applications range from quantum chemistry to optimization problems and also include simulations for high energy physics. The recent maturing of quantum hardware has triggered preliminary explorations by several institutions (including Fermilab) of quantum hardware capable of demonstrating quantum advantage in multiple domains, from quantum computing to communications, to sensing. The Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) Center, led by Fermilab, is dedicated to providing breakthroughs in quantum computing and sensing, mediating quantum engineering and HEP based material science. The main goal of the Center is to deploy quantum systems with superior performance tailored to the algorithms used in high energy physics. In this Snowmass paper, we discuss the two most promising superconducting quantum architectures for HEP algorithms, i.e. three-level systems (qutrits) supported by transmon devices coupled to planar devices and multi-level systems (qudits with arbitrary N energy levels) supported by superconducting 3D cavities. For each architecture, we demonstrate exemplary HEP algorithms and identify the current challenges, ongoing work and future opportunities. Furthermore, we discuss the prospects and complexities of interconnecting the different architectures and individual computational nodes. Finally, we review several different strategies of error protection and correction and discuss their potential to improve the performance of the two architectures. This whitepaper seeks to reach out to the HEP community and drive progress in both HEP research and QIS hardware.

연구 동기 및 목표

• SQMS 프로그램 내에서 HEP 알고리즘과 센싱에 맞춘 양자 하드웨어 개발을 촉진한다.
• HEP 응용을 위한 두 가지 선도적인 초전도 아키텍처(3D SRF 캐비티 및 2D 평면/쿳트리 구현)를 평가한다.
• 확장 가능한 HEP 관련 양자 연산을 가능하게 하는 인코딩 방식, 재료 문제, 및 에러 보호 전략을 식별한다.
• 인터커넥티비티, 트랜스듀션, 상온 인터페이스 및 커뮤니티 접근 가능한 HEPCloud 플랫폼으로의 경로를 논의한다.

제안 방법

• 비선형 앵실라에 결합된 SRF 캐비티를 사용하여 퀘딧 인코딩(Fock-기본, SNAP, ECD 게이트)을 위한 3D QPU 아키텍처를 설명하고 평가한다.
• 공용 퀘딧 연산을 위한 선택적 수 의존 임의 위상(SNAP) 게이트와 캐비티의 인가 제어를 설명한다.
• 확장과 모드 간 연결성을 위한 다모드 및 다셀 SRF 캐비티 개념을 제시한다.
• 쿳트리와 보손 모드를 포함하는 2D QPU 구현을 개략적으로 제시하며, 다체 시뮬레이션 및 재료 손실 고려를 포함한다.
• 망연결된 양자 시스템을 위한 캐비티 간 결합, 조정 가능한 커플러 및 양자 트랜스덕션 접근법을 논의한다.
• 고양이 코드(cat 코드), 이항 코드(binomial codes), 구동-소멸 안정화(diven-dissipative stabilization)와 같은 에러 보호 및 보정 접근법을 검토하고, 이들이 퀘딧 인코딩에 어떻게 적용되는지 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HEP 알고리즘과 센싱을 구현하기 위한 실행 가능한 초전도 하드웨어 아키텍처는 무엇인가(3D SRF 캐비티 퀘딧 대 2D QPU)?
• RQ2 인코딩 방식(Fock-기본, cat 코드, binomial 코드)과 게이트 세트(SNAP, ECD)가 HEP와 관련된 고차원 힐베르트 공간에서 보편적 제어를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 각 아키텍처의 주요 재료, 코히런스 및 확장성 문제는 무엇이며, 인터커넥티비티와 트랜스덕션은 어떻게 구현될 수 있는가?
• RQ4 퀘딧 기반 아키텍처에 대해 실행 가능한 에러 보호 전략은 무엇이며, 이것이 알고리즘 성능 및 자원 요구사항에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 전용 HEPCloud 플랫폼이 HEP 커뮤니티에 SQMS 하드웨어에 대한 표준화된 접근을 어떻게 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 3D SRF 캐디트 퀘딧 아키텍처는 Fock 상태 인코딩과 비선형 앵실라 결합을 통해 매우 긴 코히런스 시간과 큰 힐베르트 공간을 제공한다.
• SNAP 및 변위 게이트 스킴은 캐비티 상태에 대한 보편적 제어를 가능하게 하며, 최적 제어 기법은 게이트 시간을 상당히 단축한다.
• 다모드 및 다셀 캐비티는 힐베르트 공간 확장의 경로를 제공하지만 모드 간 제어 및 조정 가능한 커플러는 엔지니어링 도전을 제기한다.
• 2D QPU 구현은 쿳트리와 보손 모드를 통해 HEP 관련 시뮬레이션 및 다체 물리학 연구를 가능하게 하며, 재료 손실 고려가 설계 선택에 영향을 준다.
• cat 코드, binomial 코드, 구동-소 dissipative stabilization 등의 에러 보호 접근법은 광자 손실 보호에 가능성을 보이나, 능동적 퀘딧 에러 보정은 여전히 미해결 영역이다.
• HEPCloud 프레임워크가 SQMS 하드웨어 및 자원에 표준화된 접근을 HEP 커뮤니티에 제공하기 위한 제안이 있다.