[논문 리뷰] Reducing runtime and error in VQE using deeper and noisier quantum circuits

Amara Katabarwa, Alex Kunitsa외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 20.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 깊이가 깊고 노이즈가 많은 양자 회로를 사용하여 기대값 추정의 정확도를 향상시켜 VQE(Variational Quantum Eigensolver)의 런타임과 오차를 줄이는 데에 초점을 맞춘 Robust Amplitude Estimation(RAE)을 소개한다. 놀랍게도, 더 깊고 노이즈가 많은 회로임에도 불구하고 RAE는 표준 준비-측정 방법보다 더 높은 정밀도와 더 낮은 평균제곱오차를 달성하며, NISQ 장치에서 수렴 속도를 가속화한다.

ABSTRACT

The rapid development of noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices has raised the question of whether or not these devices will find commercial use. Unfortunately, a major shortcoming of many proposed NISQ-amenable algorithms, such as the variational quantum eigensolver (VQE), is coming into view: the algorithms require too many independent quantum measurements to solve practical problems in a reasonable amount of time. This motivates the central question of our work: how might we speed up such algorithms in spite of the impact of error on NISQ computations? We demonstrate on quantum hardware that the estimation of expectation values, a core subroutine of many quantum algorithms including VQE, can be improved in terms of precision and accuracy by using a technique we call Robust Amplitude Estimation. Consequently, this method reduces the runtime to achieve the same mean-squared error compared to the standard prepare-and-measure estimation method. The surprising result is that by using deeper, and therefore more error-prone, quantum circuits, we realize more accurate quantum computations in less time. As the quality of quantum devices improves, this method will provide a proportional reduction in estimation runtime. This technique may be used to speed up quantum computations into the regime of early fault-tolerant quantum computation and aid in the realization of quantum advantage.

연구 동기 및 목표

• VQE와 같은 NISQ 시대의 양자 알고리즘에서 측정 오버헤드가 높아 실용적인 런타임을 제한하는 문제를 해결하기 위해.
• 회로 깊이와 노이즈를 증가시켜도 추정 정확도를 향상시킬 수 있는지 조사하기 위해.
• 기대값 추정에서 주어진 정밀도를 확보하기 위해 필요한 양자 측정 수를 줄이는 방법을 개발하기 위해.
• 노이즈가 존재하는 상황에서도 VQE 및 유사 알고리즘의 수렴 속도를 빠르게 하여, 조기에 고장내성 양자 우월성으로 이르는 길을 열기 위해.
• 개선된 추정 기법이 노이즈가 많고 깊은 회로에서도 표준 방법을 능가할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 깊이가 다른 구조화된 양자 회로 시퀀스를 사용하여 앙피티 추정을 향상시키는 Robust Amplitude Estimation(RAE) 기법을 도입한다.
• RAE는 양자 위상 추정 원리를 활용하지만, 추정 과정 중에 오차 보정 전략을 통합하여 노이즈 상황에서도 안정적으로 작동하도록 조정한다.
• 표준 준비-측정 프로토콜보다 더 효율적으로 앙피티 정보를 추출하기 위해 제어된 깊이를 가진 일련의 양자 회로를 사용한다.
• 노이즈에 민감도를 낮추고 수렴 속도를 향상시키기 위해 앙피티 추정 프레임워크 내에서 수정된 역행 단계를 적용한다.
• 기존 NISQ 하드웨어와 호환되도록 설계되었으며, 표준 VQE 워크플로우를 초과해 추가 큐비트나 회로 수정이 필요하지 않다.
• RAE는 실제 양자 하드웨어에서 실험적으로 검증되었으며, 현실적인 노이즈 조건에서 향상된 성능을 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 더 깊고 노이즈가 많은 양자 회로를 사용하여 VQE에서 기대값 추정의 정확도와 속도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 Robust Amplitude Estimation이 평균제곱오차와 런타임 측면에서 표준 준비-측정 방법보다 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 회로 깊이가 증가할수록 목표 정밀도를 확보하기 위해 필요한 측정 수가 얼마나 줄어드는가?
• RQ4 RAE는 현실적인 NISQ 수준의 노이즈와 디코herence 상황에서도 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ5 이 방법은 양자 장치의 정밀도 향상과 함께 확장되어 조기에 고장내성 양자 우월성을 실현할 수 있는가?

주요 결과

• Robust Amplitude Estimation은 표준 준비-측정 방법에 비해 기대값 추정에서 주어진 평균제곱오차를 달성하기 위한 런타임을 줄였다.
• 더 깊고 노이즈가 많은 회로임에도 불구하고 RAE는 앙피티 추정에서 더 높은 정밀도를 달성하여, 노이즈가 적절히 관리된다면 제한 요소가 되지 않음을 입증했다.
• 메서드는 실제 양자 하드웨어에서 실험적으로 검증되었으며, 현실적인 노이즈 조건에서 추정 정확도 향상이 명확하게 관찰되었다.
• RAE의 성능 향상은 양자 장치의 정밀도 향상과 함께 비례하여 증가했으며, 하드웨어 발전과 함께 장기적으로도 유의미한 영향을 미칠 것으로 나타났다.
• RAE는 VQE에서 더 빠른 수렴을 가능하게 하여, 근접한 장치에서 실용적인 양자 우월성으로 이르는 길을 제시한다.
• 결과적으로 깊은 회로가 알고리즘이 노이즈에 강건하도록 설계된다면 추정 작업에 유리할 수 있음을 보여주었다.