[논문 리뷰] The Error Reconstruction and Compiled Calibration of Quantum Computing Cycles

Arnaud Carignan-Dugas, Dar Dahlen외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 30.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 양자 계산 사이클 내 오차를 특성화하고 억제하기 위한 확장 가능한 프로토콜인 사이클 오차 재구성(CER)과 확률적 校정(SC)을 소개한다. CER는 무작위 컴파일링과 사이클 벤치마킹을 통해 효과적 사이클 내 국소 오차 확률의 곱셈 정밀도 추정을 가능하게 하며, SC는 컴파일 기반의 위상 보정을 사용하여 오차를 감소시킨다—IBM-Q 5 큐비트 장치에서 회로 성능을 최대 5배 향상시킨다.

ABSTRACT

Quantum computers are inhibited by physical errors that occur during computation. For this reason, the development of increasingly sophisticated error characterization and error suppression techniques is central to the progress of quantum computing. Error distributions are considerably influenced by the precise gate scheduling across the entire quantum processing unit. To account for this holistic feature, we may ascribe each error profile to a (clock) cycle, which is a scheduled list of instructions over an arbitrarily large fraction of the chip. A celebrated technique known as randomized compiling introduces some randomness within cycles' instructions, which yields effective cycles with simpler, stochastic error profiles. In the present work, we leverage the structure of cycle benchmarking (CB) circuits as well as known Pauli channel estimation techniques to derive a method, which we refer to as cycle error reconstruction (CER), to estimate with multiplicative precision the marginal error distribution associated with any effective cycle of interest. The CER protocol is designed to scale for an arbitrarily large number of qubits. Furthermore, we develop a fast compilation-based calibration method, referred to as stochastic calibration (SC), to identify and suppress local coherent error sources occurring in any effective cycle of interest. We performed both protocols on IBM-Q 5-qubit devices. Via our calibration scheme, we obtained up to a 5-fold improvement of the circuit performance.

연구 동기 및 목표

• 게이트 스케줄링과 하드웨어 특화 노이즈를 고려하여 양자 계산 사이클의 오차 프로파일을 확장 가능한 방법으로 추정하는 것.
• 다중 큐비트 양자 연산에서 발생하는 공명적, 게이트에 의존하는 오차—특히 크로스타크션 유도 Z-회전—을 해결하는 것.
• 완전한 오차 모델 재구성 없이도 효율적인 컴파일 기반 校정을 가능하게 하여 회로 정밀도를 향상시키는 것.
• 대규모 양자 시스템에까지 확장 가능한 실용적이고 하드웨어에 종속되지 않는 오차 완화 프레임워크를 제공하는 것.
• 근접한 양자 장치를 위한 통합 워크플로우로 오차 진단과 억제를 통합하는 것.

제안 방법

• CER는 사이클을 근사적으로 스토하스틱 오차 프로파일을 갖는 효과적 드레스드 사이클로 변환하기 위해 무작위 컴파일링을 활용하여 오차 추정을 단순화한다.
• 사이클 벤치마킹(CB) 회로를 사용하여 파울리 채널 추정을 통해 오차율을 추출함으로써 곱셈 정밀도의 국소 오차 확률 추정이 가능해진다.
• 개별 게이트가 아닌 사이클 수준의 오차 분포에 집중함으로써, 임의의 큰 큐비트 수에까지 확장 가능한 프로토콜로 설계되었다.
• 확률적 校정(SC)은 매개변수화된 컴파일 방식을 사용하여 가상의 Z-회전을 보정으로 적용하며, 사이클 벤치마킹 데이터에서 유도된 이차 목표 함수를 최소화한다.
• SC는 관찰 대상 큐비트의 조정 가능한 위상 매개변수를 최적화하여 공명적 오차—특히 크로스타크션에 의해 유도된 오차—를 억제한다.
• 오차 데이터를 이차 곡선에 가중 최소 제곱법으로 피팅하여 고정밀도로 최적의 校정 각도를 식별하는 방법을 결합한다.

Figure 1: CB-structured circuits consist of repeated dressed cycles wrapped between state preparation and measurement circuits. The randomization of the easy cycles tailors the dressed cycle into an effective dressed cycle with a stochastic error profile. In this work, we introduce two CB-structured

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오직 사이클 벤치마킹과 무작위 컴파일링만을 사용하여 양자 계산 사이클의 오차 프로파일을 곱셈 정밀도로 추정할 수 있는가?
• RQ2 공명적 오차—특히 크로스타크션 유도 Z-회전—는 다중 큐비트 사이클에서 어떻게 효율적으로 억제할 수 있는가?
• RQ3 컴파일된 위상 보정은 실제 양자 하드웨어에서 회로 정밀도를 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 오차 재구성 및 校정 프로토콜은 과도한 오버헤드 없이 대규모 다중 큐비트 시스템으로 확장 가능한가?
• RQ5 게이트에 의존하는 노이즈가 존재할 경우, 효과적 사이클의 오차 특성은 개별 게이트의 특성과 어떻게 다를 수 있는가?

주요 결과

• CER는 IBM-Q 5 큐비트 장치에서 다양한 사이클에 대해 곱셈 정밀도로 국소 오차 확률을 성공적으로 추정하여 세밀한 오차 프로파일링을 가능하게 하였다.
• 확률적 校정은 ibmq_burlington 칩에서 오차 확률을 최대 5배 감소시켜 회로 성능을 크게 향상시켰다.
• 보정된 매개변수는 qubits {0, 2, 4}에 대해 θ* = (-4.8(2)°, -15.1(4)°, -20.8(1)°)로 확인되어 크로스타크션 유도 Z-회전의 효과적 억제를 보여주었다.
• 프로토콜은 확장성과 강건성을 입증하였으며, 다양한 사이클과 큐비트 구성에서 오차 감소가 관측되었다.
• 사이클 오차 재구성은 무작위 컴파일링 하에서 효과적 사이클이 게이트에 의존하는 노이즈가 존재하더라도 주로 스토하스틱 오차 행동를 보임을 드러냈다.
• CER와 SC가 True-Q 소프트웨어 스택에 통합되어 실제 양자 하드웨어 검증 및 최적화를 위한 실용적 구현이 가능해졌다.

Figure 3: Circuit representations expressed in terms of cycles. Notice that the time flows from the right to the left to accommodate the matrix notation below each cycle. a) An application circuit can always be expressed as an alternating sequence of easy and hard cycles or, equivalently, as a seque