[논문 리뷰] Quantum Error Mitigation

Zhenyu Cai, Ryan Babbush외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 03.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 29

한 줄 요약

이 리뷰는 NISQ 장치에 대한 양자 오류 완화(QEM) 방법을 조사하고, 그 원칙적 효능성, 하드웨어 시연 및 트레이드오프를 분석하며, 완화로 양자 우위를 달성하기 위한 남은 문제와 전망을 논의한다.

ABSTRACT

For quantum computers to successfully solve real-world problems, it is necessary to tackle the challenge of noise: the errors which occur in elementary physical components due to unwanted or imperfect interactions. The theory of quantum fault tolerance can provide an answer in the long term, but in the coming era of `NISQ' machines we must seek to mitigate errors rather than completely remove them. This review surveys the diverse methods that have been proposed for quantum error mitigation, assesses their in-principle efficacy, and then describes the hardware demonstrations achieved to date. We identify the commonalities and limitations among the methods, noting how mitigation methods can be chosen according to the primary type of noise present, including algorithmic errors. Open problems in the field are identified and we discuss the prospects for realising mitigation-based devices that can deliver quantum advantage with an impact on science and business.

연구 동기 및 목표

• 근접형 양자 장치에서 전체 오류 허용(fault tolerance) 이전에 잡음 문제를 다루어야 할 필요성을 촉진한다.
• 양자 오류 완화(QEM)가 무엇인지 정의하고 형식화하며 그 목표를 규정한다.
• QEM 방법의 이론상 유효성 및 실용적 오버헤드를 평가한다.
• QEM 방법의 하드웨어 시연과 벤치마킹을 조사한다.
• 완화 기반 양자 우위 가능성을 논의하고 남은 문제를 식별한다.

제안 방법

• 주 회로 및 잡음이 있는 출력 상태를 정의하고, rho0에서 관측량 O의 추정량을 도입한다.
• 오류 완화 추정량의 바이어스-분산 분해 및 샘플링 오버헤드 개념을 논의한다.
• 다수의 QEM 기법(예: 제로 노이즈 외삽, 확률적 오류 취소, 측정 오류 보정, 대칭/순도 제약, 부분공간 확장, N-표현 가능성, 학습 기반 접근법)을 제시하고 비교한다.
• 오버헤드와 바이어스가 회로의 결함 비율 및 실험 조건에 따라 어떻게 스케일하는지 개요를 제시한다.
• 보정 오버헤드, 평균 제곱 오차, 및 방법의 조합을 포함하여 QEM 방법을 비교하기 위한 지표를 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QEM이 증가하는 분산과 샘플링 오버헤드를 고려하여 편향을 줄이는 방법은 무엇인가?
• RQ2 다양한 노이즈 유형과 회로의 결함 비율에 따라 서로 다른 QEM 방법의 성능은 어떠한가?
• RQ3 NISQ 장치에서 QEM을 적용하기 위한 실용적 한계(오버헤드, 확장성)는 무엇인가?
• RQ4 ZNE, PEC 및 기타 방법이 보정 요건과 플랫폼 간 견고성에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 완화 기반 양자 우위를 실현하기 위해 남아 있는 개방 문제는 무엇인가?

주요 결과

• QEM은 추정량의 편향을 줄이지만 일반적으로 분산이 증가하여 편향-분산 트레이드오프가 발생한다.
• QEM의 샘플링 오버헤드는 최악의 경우 회로 결함 비율과 함께 기하급수적으로 증가하여 크거나 매우 잡음이 큰 회로의 실용성을 제한한다.
• 제로 노이즈 외삽은 간단하고 널리 구현되며, 다수의 외삽 전략(다항식, 지수형, 리차드슨)이 논의된다.
• 확률적 오류 취소는 이론적으로 편향을 완전히 제거할 수 있지만 기하급수적 샘플링 오버헤드를 수반한다.
• 측정 오류 보정 및 대칭성, 순도, 부분공간, N-표현 가능성 등 다른 제약은 서로 다른 오버헤드와 적용 가능성을 가진 대체 경로를 제공한다.
• 프레임워크는 지배적인 노이즈 유형과 회로 구조를 기반으로 완화 전략을 선택하는 데 중점을 두며, 남은 문제와 다른 오류 억제 방법과의 실용적 통합을 언급한다.