[논문 리뷰] Stability of noisy quantum computing devices

Samudra Dasgupta, Travis S. Humble|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 20.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 33인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 헬링거 거리(Hellinger distance)를 사용하여 주요 성능 지표인 게이트 편율, 듀티 사이클, 주소 가능도의 변동성을 측정하여, 노이즈가 많고 중간 규모의 양자(NISQ) 장치의 시간적 및 공간적 안정성을 평가하는 프레임워크를 제안한다. 22개월 간의 데이터 분석을 통해 이 성능 지표들이 시간과 공간적으로 크게 변동하는 것으로 드러났으며, 현재 NISQ 장치는 짧은 시간 스케일을 초과하면 신뢰할 수 없음을 시사하며, 양자 컴퓨팅 결과의 재현 가능성에 심각한 영향을 미친다.

ABSTRACT

Noisy, intermediate-scale quantum (NISQ) computing devices offer opportunities to test the principles of quantum computing but are prone to errors arising from various sources of noise. Fluctuations in the noise itself lead to unstable devices that undermine the reproducibility of NISQ results. Here we characterize the reliability of NISQ devices by quantifying the stability of essential performance metrics. Using the Hellinger distance, we quantify the similarity between experimental characterizations of several NISQ devices by comparing gate fidelities, duty cycles, and register addressability across temporal and spatial scales. Our observations collected over 22 months reveal large fluctuations in each metric that underscore the limited scales on which current NISQ devices may be considered reliable.

연구 동기 및 목표

• 시간과 공간에 따라 변동성이 큰 장치 행동으로 인해 발생하는 NISQ 양자 컴퓨팅의 재현 가능성 문제를 해결하기 위함.
• 시간적 및 공간적 척도에서 허용 범위 내에서 일관된 성능을 보이는 장치 안정성의 정의와 측정을 위함.
• 디비노체의 기준에 부합하는 지표를 사용하여 현재 NISQ 장치의 신뢰성을 평가하기 위함.
• 측정 가능한 장치 성능의 변동성을 바탕으로 실험적 양자 컴퓨팅의 재현 가능성의 실질적 한계를 규명하기 위함.
• 장기적 벤치마킹과 검증을 지원하는 통계적 프레임워크를 제공하기 위함.

제안 방법

• 시간과 공간에 걸쳐 성능 지표의 확률 분포를 비교하기 위해 헬링거 거리를 사용하여 장치 안정성을 측정한다.
• 2 큐비트 클리포드 군의 무작위 벤치마킹을 통해 게이트 편율을 측정하여 게이트 오차를 추정하고 $ F_G = 1 - \epsilon_G $ 를 계산한다.
• 듀티 사이클 $ \tau = T_2 / T_G $ 를 계산하며, 여기서 $ T_2 $ 는 평균 비호환 시간이고 $ T_G $ 는 게이트 지속 시간이다.
• 정규화된 상호정보량 $ \eta $ 를 사용하여 레지스터 주소 가능도를 평가하며, 얽힌 또는 분리된 기준 상태로부터 유도된 편율 $ F_A $ 를 활용한다.
• 시간적 안정성 분석을 위해 1개월 윈도우를 슬라이딩하여 러닝 헬링거 거리를 계산한다.
• IBM의 yorktown 및 toronto 장치에서 22개월 간의 데이터를 수집하고 분석하여 여러 지표에 걸쳐 안정성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NISQ 장치에서 시간과 다양한 큐비트 쌍 간에 게이트 편율, 듀티 사이클, 주소 가능도 등의 핵심 성능 지표가 어떻게 변동하는가?
• RQ2 장치 매개변수의 시간적 및 공간적 변동성이 양자 컴퓨팅 벤치마킹의 재현 가능성에 얼마나 심각한 영향을 미치는가?
• RQ3 헬링거 거리는 서로 다른 시간 윈도우와 공간 영역 간의 성능 분포 유사성을 효과적으로 측정할 수 있는가?
• RQ4 관측된 지표 변동성을 바탕으로 현재 NISQ 장치의 실질적 신뢰성 한계는 무엇인가?
• RQ5 다른 큐비트 쌍 간에 초기화 편율, 게이트 편율, 주소 가능도의 변동성이 상호 상관관계를 가지는가?

주요 결과

• yorktown 장치의 CNOT 게이트(큐비트 쌍 0,1)에 대해 시간에 따른 듀티 사이클에 상당한 변동성이 있었으며, 헬링거 거리 측정으로 인해 시간에 따라 분포가 크게 이동하는 것으로 확인되었다.
• toronto 장치에서 큐비트 쌍 간 주소 가능도는 크게 달라졌으며, 쌍 (23,21)에서 가장 낮은 값 0.8875와 쌍 (11,13)에서 가장 높은 값 0.9989를 기록하여, 큐비트 결합의 비일관성을 시사했다.
• 헬링거 거리 측정을 통해 각 지표 간 안정성의 명확한 차이가 드러났으며, 듀티 사이클이 가장 두드러진 시간적 변동성을 보였다.
• 게이트 편율과 초기화 편율의 변동성이 주로 비근접 큐비트 쌍에서 주소 가능도의 변동성과 상관관계를 보였다.
• 이 연구는 현재 NISQ 장치가 짧은 시간 스케일을 초과하면 성능이 불안정하여 실험 결과의 재현 가능성이 제한됨을 발견했다.
• 실행 직전에 캘리브레이션을 실시하더라도, 비호환 시간 및 게이트 지속 시간과 같은 장치 매개변수가 상당히 변동하여 장기적 일관성이 떨어짐을 확인했다.