[논문 리뷰] Superconducting Quantum Computing: A Review

He-Liang Huang, Dachao Wu외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 18.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 180인용 수 7

한 줄 요약

이 리뷰는 큐비트 설계, 양자 제어, 읽기 기술, 오류 수정 및 양자 알고리즘의 발전을 다루며 초전도 양자 컴퓨팅에 대한 종합적인 개요를 제공한다. 53 큐비트 Sycamore 프로세서를 사용한 2019년의 양자 우월성 실험은 확장 가능한 양자 컴퓨팅의 전환점이 되었다.

ABSTRACT

Over the last two decades, tremendous advances have been made for constructing large-scale quantum computers. In particular, the quantum processor architecture based on superconducting qubits has become the leading candidate for scalable quantum computing platform, and the milestone of demonstrating quantum supremacy was first achieved using 53 superconducting qubits in 2019. In this work, we provide a brief review on the experimental efforts towards building a large-scale superconducting quantum computer, including qubit design, quantum control, readout techniques, and the implementations of error correction and quantum algorithms. Besides the state of the art, we finally discuss future perspectives, and which we hope will motivate further research.

연구 동기 및 목표

• 대규모 초전도 양자 컴퓨팅 분야에서의 최근 실험적 진전을 요약하기 위해.
• 큐비트 설계, 제어 및 읽기 기술을 포함한 초전도 양자 프로세서의 핵심 구성 요소를 분석하기 위해.
• 근접 장기 장치에서의 오류 수정 기술의 발전과 양자 알고리즘의 구현을 평가하기 위해.
• 확장 가능하고 고장 내성 있는 양자 컴퓨팅을 위한 남아 있는 과제와 향후 방향을 규명하기 위해.
• 초전도 플랫폼이 실용적인 양자 우위를 달성하는 데 있어 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 1999년부터 2020년까지의 초전도 큐비트 분야 실험적 발전에 대한 체계적 리뷰로, 공명 시간, 게이트 정밀도 및 확장성에 중점을 둔다.
• 초전도 양자 하드웨어 성능 평가의 기준으로서 DiVincenzo 기준을 분석한다.
• 초전도 큐비트 유형(트랜스몬, 플럭스온, 에이oni온)과 그 공명 시간의 변화를 검토한다.
• 마이크로파 루프 및 다중 큐비트 연산의 교차 간섭 최소화 기법을 포함한 양자 제어 기술을 검토한다.
• 디스pers브 측정 및 공진기 기반 상태 식별을 이용한 읽기 방법을 평가한다.
• 초전도 프로세서에서의 서피스 코드, 서피스 코드 논리 큐비트, 변량 양자 알고리즘의 실험적 구현을 조사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2000년에서 2019년 사이에 초전도 양자 컴퓨팅 분야에서의 주요 실험적 성과는 무엇인가?
• RQ2 초전도 아키텍처에서 큐비트 공명 시간, 게이트 정밀도 및 연결성은 어떻게 향상되었는가?
• RQ3 Sycamore 프로세서는 양자 우월성을 어떻게 입증했는가?
• RQ4 VQE 및 양자 생성 모델과 같은 근접 장기 양자 알고리즘은 초전도 하드웨어에서 얼마나 효과적인가?
• RQ5 고장 내성의 대규모 양자 계산을 달성하기 위해 남아 있는 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 53 큐비트 Sycamore 프로세서는 예측된 총 정밀도 0.2%로 무작위 회로 샘플링을 수행하여 고전 컴퓨터로는 비가능한 작업을 수행함으로써 양자 우월성을 달성했다.
• 5 큐비트 초전도 시스템에서 이중 큐비트 게이트 정밀도는 99.4%에 도달하여 서피스 코드 기반 고장 내성에의 진전을 가능하게 하였다.
• 변량 양자 알고리즘인 감독 학습 및 양자 생성 대안 네트워크(GANs)는 초전도 프로세서에서 성공적으로 구현되었으며, GANs는 고전 모델과 유사한 실제 손글씨 숫자를 생성하였다.
• 오류 수정 실험은 서피스 코드를 이용한 논리 큐비트 인코딩을 통해 물리적 오류율보다 낮은 논리 오류율을 기록하여 고장 내성 향상의 진전을 보였다.
• 고정밀도 이중 큐비트 게이트 및 교차 간섭 감소 기술의 개발은 총 1,543개의 게이트를 포함한 깊이 20의 양자 회로를 가능하게 하였으며, 이는 양자 우월성의 핵심 요건이 되었다.
• 진전에도 불구하고 큐비트 공명 시간, 게이트 정밀도, 연결성 향상 및 실용적인 양자 우위 응용 프로그램의 규명에 있어 여전히 과제가 남아 있다.