[논문 리뷰] Study of Decoherence in Quantum Computers: A Circuit-Design Perspective

Abdullah Ash Saki, Mahabubul Alam외 1명|ArXiv.org|2019. 04. 08.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 15인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 물리기반 시뮬레이션을 사용하여 회로 설계 관점에서 양자 회로의 비호환성(decoherence)을 조사하며, 정밀도(fidelity)가 입력 상태, 게이트 유형 및 회로 깊이에 따라 달라짐을 보여준다. 더 낮은 깊이의 회로 구현은 비호환성을 줄이며, 양자 애드더에서 최대 20% 향상된 정밀도를 제공한다. 이는 NISQ 장치에서 회로 수준 최적화가 시스템 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Decoherence of quantum states is a major hurdle towards scalable and reliable quantum computing. Lower decoherence (i.e., higher fidelity) can alleviate the error correction overhead and obviate the need for energy-intensive noise reduction techniques e.g., cryogenic cooling. In this paper, we performed a noise-induced decoherence analysis of single and multi-qubit quantum gates using physics-based simulations. The analysis indicates that (i) decoherence depends on the input state and the gate type. Larger number of $|1 angle$ states worsen the decoherence; (ii) amplitude damping is more detrimental than phase damping; (iii) shorter depth implementation of a quantum function can achieve lower decoherence. Simulations indicate 20\% improvement in the fidelity of a quantum adder when realized using lower depth topology. The insights developed in this paper can be exploited by the circuit designer to choose the right gates and logic implementation to optimize the system-level fidelity.

연구 동기 및 목표

• 다중 큐비트 양자 회로에서 비호환성이 회로 설계 관점에서 어떻게 영향을 미치는지 분석하기 위해.
• 비호환성이 입력 상태, 게이트 유형 및 회로 깊이에 따라 어떻게 달라지는지 조사하기 위해.
• 물리기반 모델링을 사용하여 약화 및 위상 감쇠가 양자 게이트 정밀도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 특히 깊이 최소화를 포함한 회로 수준 최적화가 시스템 수준 정밀도를 향상시킬 수 있음을 보여주기 위해.
• 노이즈가 많은 중간 규모 양자(NISQ) 시스템에서 정밀도를 향상시키기 위한 실질적인 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 연구는 약화 및 위상 감쇠를 포함한 환경 노이즈 하에서 큐비트 동역학을 모델링하기 위해 물리기반 마스터 방정식 프레임워크를 사용한다.
• 밀도 행렬을 사용하여 양자 상태를 표현함으로써 초위상 및 얽힌 상태에 대한 비호환성 영향을 분석할 수 있다.
• 다양한 입력 상태 및 노이즈 파rameter 하에서 단일 및 다중 큐비트 게이트의 시간에 따른 정밀도 변화를 시뮬레이션으로 추적한다.
• 깊이 6인 QCKT-1과 깊이 9인 QCKT-2로 구성된 양자 전가산기의 두 구현 방식을 비교하여 깊이에 따른 비호환성 영향을 평가한다.
• 게이트 연산 후 이상적 밀도 행렬과 실제 밀도 행렬 간의 겹침을 정밀도로 계산한다.
• 순수 상태(예: |111⟩), 초위상 상태 및 혼합 상태를 포함한 다양한 입력 상태를 고려하여 데이터에 의존적인 비호환성 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큐비트의 입력 상태가 양자 게이트에서 비호환성의 비율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 약화와 위상 감쇠 중 어느 것이 양자 게이트 정밀도에 더 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 회로 깊이가 다중 큐비트 양자 회로에서 비호환성과 전체 정밀도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 기능적으로 동일한 결과를 내는 경우, 더 낮은 깊이의 논리적 구현 방식이 더 높은 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 회로 수준 설계 선택이 NISQ 시대의 양자 컴퓨터에서 비호환성을 어느 정도 완화시킬 수 있는가?

주요 결과

• 비호환성은 입력 상태에 따라 크게 달라지며, 더 많은 |1⟩ 상태를 포함한 회로는 약화에 더 민감하여 정밀도가 떨어진다.
• 특히 |1⟩ 상태의 비율이 높은 상태에서 약화가 위상 감쇠보다 정밀도에 더 나쁜 영향을 미친다.
• 더 낮은 깊이의 양자 회로는 상당히 높은 정밀도를 보이며, 깊이 6인 QCKT-1 애드더는 깊이 9인 QCKT-2 애드더보다 20% 더 높은 정밀도를 달성했다.
• 낮은 깊이의 회로(QCKT-1)의 평균 정밀도는 0.74였고, 높은 깊이의 회로(QCKT-2)는 0.59였으며, 이는 깊이 최소화의 유용성을 확인한다.
• 게이트 순서가 긴 회로는 노이즈에 더 오랜 시간 노출되어 비호환성 감소가 더 뚜렷하게 나타나며, 특히 다수의 |1⟩ 큐비트를 포함한 상태에서 더욱 두드러진다.
• 입력 상태의 영향으로 인해 정밀도 곡선이 일시적으로 교차할 수는 있으나, 모든 입력 조합에 대한 평균 정밀도는 항상 낮은 깊이 설계를 우월하게 한다.