[논문 리뷰] Quantum error mitigation for fault-tolerant quantum computing

Yasunari Suzuki, Suguru Endo외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 08.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 후-NISQ 및 초기 고장내성 양자 계산(FTQC) 영역을 연결하는 하이브리드 양자 오류 보정(QEC) 및 양자 오류 보정(QEM) 프레임워크를 제안한다. FTQC 아키텍처에 QEM을 통합함으로써, 시스템 크기에 관계없이 최대 100의 일정한 샘플링 오버헤드로만 유사한 코드 거리와 T-게이트 수를 증가시켜, 10^4에서 10^10개의 논리적 연산 범위에서 필요한 논리적 큐비트 수를 수십 퍼센트 감소시킨다.

ABSTRACT

Fault-tolerant quantum computing (FTQC) is a form of universal quantum computing that suppresses physical errors via quantum error correction (QEC). On the other hand, it is expected that the available code distance and the $T$-gate count will be restricted in the early years of FTQC. Meanwhile, quantum error mitigation (QEM) was recently introduced for suppressing errors in noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices; it improves the computation accuracy of near-term quantum algorithms with its overhead being a greater number of samples. In this work, we integrate QEC and QEM into an efficient FTQC architecture that effectively increases the code distance and $T$-gate count. Our scheme will dramatically alleviate the required qubit count by tens of percent at the cost of a constant multiplicative sampling overhead within $10^2$ in a wide range of regimes from the post-NISQ era to early FTQC regime, which necessitates the order of from $10^4$ to $10^{10}$ logical operations. While it has been widely believed that there do not exist useful applications in post-NISQ regimes due to a chasm between the NISQ and FTQC regimes such as overheads for encoding and $T$-gate distillations, our scheme can continuously bridge the two distinct regimes.

연구 동기 및 목표

• 근접한 NISQ 장치와 초기 고장내성 양자 계산(FTQC) 사이의 운영 및 자원 격차를 해소하기 위해.
• 제한된 코드 거리와 T-게이트 수를 가진 초기 FTQC에서 고장내성 계산을 위한 필요한 논리적 큐비트 수를 줄이기 위해.
• 양자 오류 보정(QEM)과 양자 오류 보정(QEC)을 조합하여, 후-NISQ에서 초기 FTQC로의 전이 단계에서 실용적인 양자 우위를 달성하기 위해.
• 10^4에서 10^10개의 논리적 연산 범위에서 자원 오버헤드를 최소화하면서도 높은 계산 정확도를 유지하기 위해.

제안 방법

• 고장내성 양자 계산(FTQC) 아키텍처에 양자 오류 보정(QEM) 기법을 통합하여 효과적인 오류 억제를 향상시킨다.
• 초기 FTQC 시스템에서 코드 거리와 T-게이트 정련 능력의 한계를 보완하기 위해 QEM을 사용한다.
• 시스템 크기와 무관하게 최대 10^2의 일정한 곱셈형 샘플링 오버헤드를 적용한다.
• 완전한 고장내성 요구 없이도 정확도를 향상시킬 수 있는 QEM의 능력을 활용하여, 초기 FTQC 하드웨어에서 실용적인 구현을 가능하게 한다.
• 고장내성을 유지하면서도 원래 QEC의 한계를 초월해 효과적인 오류 억제를 연장하는 하이브리드 QEC-QEM 프레임워크를 설계한다.
• 제한된 T-게이트 및 코드 거리 자원을 보완하기 위해 동적으로 QEM을 적응시키며, 후-NISQ에서 초기 FTQC에 이르는 광범위한 영역에서 운영한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제한된 코드 거리와 T-게이트 수를 가진 초기 고장내성 양자 컴퓨터에서 양자 오류 보정(QEM)이 효과적으로 기능할 수 있는가?
• RQ2 QEM은 어떻게 FTQC 아키텍처에 통합되어 고장내성을 유지하면서도 논리적 큐비트 오버헤드를 줄일 수 있는가?
• RQ3 초기 FTQC에서 QEM과 QEC를 조합할 때 샘플링 오버헤드와 큐비트 절감 사이의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ4 하이브리드 QEC-QEM 접근법은 NISQ와 완전한 FTQC 영역 사이의 운영 및 자원 격차를 메울 수 있는가?
• RQ5 이 하이브리드 프레임워크는 어떤 범위의 논리적 연산(10^4에서 10^10)을 효율적으로 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 하이브리드 QEC-QEM 프레임워크는 초기 FTQC 영역에서 필요한 논리적 큐비트 수를 수십 퍼센트 감소시킨다.
• 이 방법은 시스템 크기에 관계없이 최대 100의 일정한 곱셈형 샘플링 오버헤드만 도입한다.
• 프레임워크는 원래 QEC의 한계를 초월해 효과적인 코드 거리와 T-게이트 수를 효과적으로 증가시킨다.
• 후-NISQ에서 초기 FTQC로의 전이 단계에서 지속적인 운영을 가능하게 하여, 기존의 두 영역 사이의 전통적 격차를 제거한다.
• 10^4에서 10^10개의 논리적 연산 범위에서 고장내성을 유지하면서도 자원 효율성을 크게 향상시킨다.