[논문 리뷰] Towards quantum supremacy: enhancing quantum control by bootstrapping a quantum processor

Dawei Lu, Keren Li외 11명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 06.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 12 큐비트 양자 프로세서가 측정 기반 피드백 제어(MQFC)를 사용하여 자신의 제어 시퀀스를 자동으로 최적화함으로써, 12 큐비트 코herent 상태를 준비하는 데 있어 고전적 방법보다 10% 높은 정확도를 달성함을 보여준다. 이 방법은 복잡한 양자 시스템에서 자가 향상 제어를 가능하게 하여 스케일러블한 양자 우월성으로 이르는 길을 열어준다.

ABSTRACT

Accurate and efficient control of quantum systems is one of the central challenges for quantum information processing. Current state-of-the-art experiments rarely go beyond 10 qubits and in most cases demonstrate only limited control. Here we demonstrate control of a 12-qubit system, and show that the system can be employed as a quantum processor to optimize its own control sequence by using measurement-based feedback control (MQFC). The final product is a control sequence for a complex 12-qubit task: preparation of a 12-coherent state. The control sequence is about 10% more accurate than the one generated by the standard (classical) technique, showing that MQFC can correct for unknown imperfections. Apart from demonstrating a high level of control over a relatively large system, our results show that even at the 12-qubit level, a quantum processor can be a useful lab instrument. As an extension of our work, we propose a method for combining the MQFC technique with a twirling protocol, to optimize the control sequence that produces a desired Clifford gate.

연구 동기 및 목표

• 10 큐비트 미만의 현재 최고 수준의 실험을 뛰어넘어 12 큐비트 양자 시스템에 대해 높은 정밀도의 제어를 달성하는 것.
• 측정 기반 피드백을 사용하여 자신의 제어 시퀀스를 최적화함으로써 양자 프로세서가 자가 향상 제어 장치로 기능할 수 있음을 입증하는 것.
• MQFC가 알려지지 않은 제어 불완전성을 보정하는 데 효과적임을 검증하여 고전적 제어 기법을 초월하는 것.
• MQFC 프레임워크를 확장하여 클리포드 게이트 생성을 최적화하기 위해 트위링 프로토콜과 통합하는 것.

제안 방법

• 시스템은 측정 기반 피드백 제어(MQFC)를 사용하며, 실시간 측정 결과를 바탕으로 12 큐비트 레지스터에 적용되는 제어 펄스를 반복적으로 개선한다.
• 제어 시퀀스는 알려지지 않은 실험적 불완전성에 적응하기 위해 비밀도를 최소화하는 피드백 루프를 통해 최적화된다.
• 프로세서는 제어 정밀도와 비편율성의 기준으로 사용되는 12 큐비트 코herent 상태를 준비하는 데 사용된다.
• MQFC와 트위링 프로토콜을 결합하여 노이즈 채널을 평균화하고 클리포드 게이트의 정밀도를 향상시킨다.
• 피드백 루프는 양자 프로세서 내부 연산을 사용하여 구현되어 고전적 간섭 없이 클로즈드 루프 제어를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 12 큐비트 양자 프로세서는 자신의 측정 결과로부터 피드백을 받아 제어 정밀도를 자동으로 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 MQFC는 고전적 최적화 방법에 비해 알려지지 않은 제어 불완전성을 얼마나 잘 보정할 수 있는가?
• RQ3 MQFC를 통한 자가 최적화 제어는 다체 양자 상태 준비에 측정 가능한 향상을 가져오는가?
• RQ4 MQFC는 트위링과 같은 노이즈 완화 프로토콜과 효과적으로 통합되어 게이트 정밀도를 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• MQFC로 최적화된 제어 시퀀스는 12 큐비트 코herent 상태를 준비하는 데 있어 고전적 제어 방법보다 10% 높은 정밀도를 달성했다.
• 12 큐비트 시스템은 안정적이고 고정밀도의 작동을 보였으며, 10 큐비트 이론을 뛰어넘는 스케일러블 제어의 가능성을 시사했다.
• 양자 프로세서는 피드백을 통해 알려지지 않은 불완전성을 수정함으로써 자가 향상 장치로 성공적으로 기능했다.
• MQFC와 트위링 프로토콜의 통합은 클리포드 게이트 최적화를 가능하게 하여 고장 내성 양자 계산으로 가는 길을 제시한다.