[논문 리뷰] Real-time dynamics of Plaquette Models using NISQ Hardware

Emilie Huffman, Miguel García Vera외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 30.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트 기반 IBM Q 양자 하드웨어에서 $π_2$ 및 $U(1)$ 플라켓트 모델의 실시간 동역학 시뮬레이션을 수행하며, Mitiq 패키지의 회로 접기 기법을 활용한 오차 보정을 통해 코herence 손실를 보완한다. 하드웨어의 한계에도 불구하고 복구 확률과 보존되는 전하와 같은 측정 가능한 물리적 관측량을 확보하여 격자 양자규류이의 스케일러블한 양자 시뮬레이션 전략에 대한 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Practical quantum computing holds clear promise in addressing problems not generally tractable with classical simulation techniques, and some key physically interesting applications are those of real-time dynamics in strongly coupled lattice gauge theories. In this article, we benchmark real-time dynamics of $\mathbb{Z}_2$ and $U(1)$ gauge invariant plaquette models using superconducting-qubit based quantum IBM Q computers. We design quantum circuits for models of increasing complexity and measure physical observables such as the return probability to the initial state, and locally conserved charges. Even though the quantum hardware suffers from decoherence, we demonstrate the use of error mitigation techniques, such as circuit folding methods implemented via the Mitiq package, and show what they can achieve within the quantum volume restrictions for the IBM Q quantum computers. Our study provides insight into the choice of quantum hardware topologies, construction of circuits, and the utility of error mitigation methods to devise large-scale quantum computation strategies for lattice gauge theories.

연구 동기 및 목표

• 근접한 양자 하드웨어를 활용한 강한 상관관계가 있는 격자 양자규류이의 실시간 동역학 시뮬레이션 가능성 탐구.
• 노이지 중간 규모 양자(NISQ) 장치에서 오차 보정 기법, 특히 회로 접기의 성능 평가.
• 양자 하드웨어의 구조 및 회로 설계가 플라켓트 모델에서 보존 전하와 복구 확률 시뮬레이션에 미치는 영향 평가.
• 현재의 양자 컴퓨터에서 격자 양자규류이의 양자 시뮬레이션을 확장하기 위한 실용적 지침 제공.

제안 방법

• 초전도 큐비트 아키텍처에서 복잡도가 증가하는 $π_2$ 및 $U(1)$ 게이지 불변 플라켓트 모델을 위한 양자 회로 설계.
• Mitiq 패키지를 활용해 노이지 양자 회로의 코herence 손실 영향을 줄이기 위해 회로 접기 기법을 오차 보정 수단으로 구현.
• IBM Q 장치에서 복구 확률과 국소적으로 보존되는 전하와 같은 물리적 관측량 측정.
• 시뮬레이션 정밀도와 관측량 정확도에 영향을 미치는 양자 볼륨과 하드웨어 구조의 영향 분석.
• 다양한 회로 레이아웃과 오차 보정 전략 간의 결과 비교를 통해 내성과 확장성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 NISQ 시대 양자 프로세서에서 $π_2$ 및 $U(1)$ 플라켓트 모델의 실시간 동역학을 신뢰성 있게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 코herence 손실 하에서 회로 접기를 기반으로 한 오차 보정 기법이 관측량 정확도를 유지하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 양자 하드웨어의 구조가 격자 양자규류이의 시뮬레이션 정밀도에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 회로 설계 선택 사항이 보존 전하와 복구 확률 측정에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 코herence 손실에도 불구하고 이 연구는 IBM Q 하드웨어에서 $π_2$ 및 $U(1)$ 플라켓트 모델의 복구 확률과 국소적으로 보존되는 전하를 성공적으로 측정하였다.
• Mitiq 패키지를 통한 회로 접기 기법이 관측량 정밀도를 향상시켜 근접한 시뮬레이션에서 오차 보정의 실현 가능성을 입증하였다.
• 하드웨어 구조와 회로 레이아웃이 시뮬레이션 정확도에 중대한 영향을 미치며, 스케일러블한 양자 시뮬레이션을 위한 설계의 상충관계를 부각시켰다.
• 결과는 현재의 양자 하드웨어에서 격자 양자규류이의 고장내성 양자 계산 전략을 수립하는 데 실용적인 통찰을 제공한다.