[논문 리뷰] Towards ultra-high fidelity quantum operations: SQiSW gate as a native two-qubit gate

Cupjin Huang, Dawei Ding외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 13.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 54인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트 컴퓨터를 위한 네이티브 두 큐비트 게이트로 SQiSW 게이트를 제안한다. SQiSW 게이트는 iSWAP 게이트의 행렬 제곱근으로 정의되며, iSWAP의 절반 수준의 게이트 시간으로 초고해상도 성능을 달성한다. 이는 iSWAP 및 CNOT보다 우수한 성능을 보이며, 임의의 두 큐비트 게이트를 컴파일하거나 대규모 W-유사 얽힘 상태를 생성하는 데 유리하다. 또한 비클리포드 게이트 검증을 위한 통합 완전 무작위 기준 측정(iFRB)을 도입한다.

ABSTRACT

We propose $\mathrm{SQiSW}$, the matrix square root of the standard $\mathrm{iSWAP}$ gate, as a native two-qubit gate for superconducting quantum computing. We show numerically that it has potential for an ultra-high fidelity implementation as its gate time is half of that of $\mathrm{iSWAP}$, but at the same time it possesses powerful information processing capabilities in both the compilation of arbitrary two-qubit gates and the generation of large-scale entangled W-like states. Even though it is half of an $\mathrm{iSWAP}$ gate, its capabilities surprisingly rival and even surpass that of $\mathrm{iSWAP}$ or other incumbent native two-qubit gates such as $\mathrm{CNOT}$. To complete the case for its candidacy, we propose a detailed compilation, calibration and benchmarking framework. In particular, we propose a variant of randomized benchmarking called interleaved fully randomized benchmarking (iFRB) which provides a general and unified solution for benchmarking non-Clifford gates such as $\mathrm{SQiSW}$. For the reasons above, we believe that the $\mathrm{SQiSW}$ gate is worth further study and consideration as a native two-qubit gate for both fault-tolerant and noisy intermediate-scale quantum (NISQ) computation.

연구 동기 및 목표

• 초전도 양자 프로세서에서 고해상도·고속 두 큐비트 게이트의 필요성을 해결하기 위해.
• CNOT 및 iSWAP와 같은 기존 네이티브 게이트의 게이트 지속 시간 및 얽힘 생성 효율성 측면에서의 한계를 극복하기 위해.
• 짧은 게이트 시간과 강력한 계산 표현력을 결합한 새로운 네이티브 게이트 SQiSW를 제안하기 위해.
• SQiSW와 같은 비클리포드 게이트의 컴파일링, 캘리브레이션, 기준 측정을 위한 종합적 프레임워크를 개발하기 위해.
• SQiSW가 NISQ 및 오류 수정 양자 계산 환경 모두에서 실용적인 후보로 자리매김할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• iSWAP 게이트의 행렬 제곱근으로서 SQiSW 게이트를 정의하여 iSWAP의 절반 수준의 게이트 시간을 달성한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 iSWAP 및 CNOT와의 비교에서 게이트 해상도 및 얽힘 생성 능력을 평가한다.
• SQiSW의 유니타리 성질을 활용하여 임의의 두 큐비트 게이트를 효율적으로 분해하는 컴파일레이션 프레임워크를 설계한다.
• 비클리포드 게이트에 특화된 일반화된 기준 측정 프로토콜인 통합 완전 무작위 기준 측정(iFRB)을 제안한다.
• iFRB를 적용하여 실제 노이즈 조건 하에서 SQiSW의 게이트 해상도 및 내성에 대한 실증적 검증을 수행한다.
• SQiSW 게이트의 시퀀스를 사용하여 대규모 W-유사 얽힘 상태를 생성함을 시연한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 iSWAP의 절반 수준의 지속 시간을 가진 두 큐비트 게이트가 동일하거나 더 높은 게이트 해상도 및 계산 표현력을 달성할 수 있는가?
• RQ2 SQiSW는 iSWAP 및 CNOT와 비교해 어떻게 임의의 두 큐비트 유니타리 연산을 컴파일하는 데 성능을 발휘하는가?
• RQ3 SQiSW는 양자 알고리즘에 필수적인 대규모 W-유사 얽힘 상태를 효율적으로 생성할 수 있는가?
• RQ4 SQiSW와 같은 비클리포드 게이트를 위한 일반적이고 신뢰할 수 있는 기준 측정 방법이 존재하는가?
• RQ5 SQiSW는 NISQ 및 오류 수정 양자 계산 환경 모두에서 이점을 제공하는가?

주요 결과

• SQiSW는 게이트 시간이 짧아 디코herence 및 게이트 오류를 최소화함으로써 초고해상도 성능을 달성한다.
• iSWAP의 절반 수준의 지속 시간임에도 불구하고, 게이트 컴파일링 효율성 및 얽힘 생성 능력에서 iSWAP와 동일하거나 이를 초월한다.
• SQiSW는 임의의 두 큐비트 게이트를 효율적으로 합성할 수 있어 강력한 계산 표현력을 보여준다.
• 제안된 iFRB 프로토콜은 비클리포드 게이트에 대한 통합적이고 일반적인 기준 측정 솔루션을 제공하여 신뢰할 수 있는 해상도 추정이 가능하다.
• SQiSW는 고해상도로 대규모 W-유사 얽힘 상태를 생성할 수 있으며, 고급 양자 알고리즘을 지원한다.
• 속도, 해상도, 표현력의 조합은 SQiSW가 향후 초전도 양자 프로세서의 네이티브 두 큐비트 게이트 후보로 강력한 위치를 차지할 수 있도록 한다.