[논문 리뷰] Variational Quantum Gate Optimization

Kentaro Heya, Yasunari Suzuki외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 30.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 4인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 근접된 양자 장치에서 다중 큐비트 게이트의 정밀도를 최적화하기 위해 매개변수화된 단일 큐비트 게이트를 사용하는 하이브리드 양자-고전 알고리즘인 변분 양자 게이트 최적화(VQGO)를 제안한다. 고전적으로 최적화된 비용 함수를 통해 반복적으로 로테이션 각도를 조정함으로써, VQGO는 교차 간섭이 존재하는 상황에서도 높은 정밀도의 CNOT 및 네 큐비트 심판 추출 게이트를 달성하며, 초전도 큐비트 모델에서 전통적인 방법에 비해 향상된 성능을 보여준다.

ABSTRACT

We propose a gate optimization method, which we call variational quantum gate optimization (VQGO). VQGO is a method to construct a target multi-qubit gate by optimizing a parametrized quantum circuit which consists of tunable single-qubit gates with high fidelities and fixed multi-qubit gates with limited controlabilities. As an example, we apply the proposed scheme to the models relevant to superconducting qubit systems. We show in numerical simulations that the high-fidelity CNOT gate can be constructed with VQGO using cross-resonance gates with finite crosstalk. We also demonstrate that fast and a high-fidelity four-qubit syndrome extraction can be implemented with simultaneous cross-resonance drives even in the presence of non-commutative crosstalk. VQGO gives a pathway for designing efficient gate operations for quantum computers.

연구 동기 및 목표

• 근접된 양자 컴퓨터에서 두 큐비트 게이트의 정밀도가 낮은 문제를 해결하기 위해, 특히 교차 간섭이 존재하는 초전도 큐비트 아키텍처에서의 도전 과제를 다루는 것.
• 완전한 양자 오류 수정이 필요 없이 물리적 게이트 정밀도를 향상시키는 변분 양자-고전 방법을 개발하는 것.
• 조절 가능한 단일 큐비트 게이트와 고정된 제어 능력이 낮은 다중 큐비트 게이트를 사용하여 효율적인 고정밀도 다중 큐비트 게이트를 구성하는 것.
• 하이브리드 알고리즘이 계산 이외에도 게이트 최적화 자체에 응용될 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• VQGO는 조절 가능한 단일 큐비트 게이트와 고정된 소스 게이트(예: 크로스 레온던스 게이트)로 구성된 매개변수화된 양자 회로를 사용하여 목표 다중 큐비트 게이트를 구성한다.
• 이 방법은 측정된 게이트 정밀도를 기반으로 한 비용 함수를 최소화하는 고전적 최적화기를 통해 단일 큐비트 게이트의 로테이션 각도를 최적화한다.
• 평균 게이트 정밀도(AGF)는 목표 게이트의 과정 행렬 원소에 가중치를 부여한 무작위 기준화와 함께 무작위 상태 준비 및 측정 기반을 사용하여 추정된다.
• 이 프로토콜은 목표 게이트의 과정 행렬에서 유도된 비용 함수를 사용하며, 실패 확률 및 추정 오차는 측정 통계에 의해 제한된다.
• 매개변수화된 회로 구조는 소스 게이트의 카르탕 계수 최적화를 가능하게 하며, 이는 직접적으로 얽힘 능력과 게이트 표현 능력에 영향을 준다.
• 이 방법은 유한한 교차 간섭이 존재하는 초전도 큐비트 모델에 적용되며, 수치 시뮬레이션을 통해 게이트 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 큐비트 시스템에서 교차 간섭이 존재하는 상황에서 변분 양자-고전 알고리즘이 두 큐비트 게이트의 정밀도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 매개변수화된 단일 큐비트 게이트가 고정된 다중 큐비트 게이트의 제어 능력이 제한된 상황에서 게이트 구축에 얼마나 효과적으로 보완할 수 있는가?
• RQ3 비가환 교차 간섭과 동시에 드라이브가 존재하는 상황에서 VQGO는 네 큐비트 심판 추출을 고정밀도로 달성할 수 있는가?
• RQ4 소스 게이트의 얽힘 능력이 VQGO의 최적화 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 노이즈와 제어 제약 조건 하에서 VQGO는 전통적인 게이트 구축 방법에 비해 게이트 정밀도 측면에서 뛰어나게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• VQGO는 크로스 레이저 게이트에서 유한한 교차 간섭이 존재하는 상황에서도 기존 방법에 비해 CNOT 게이트의 정밀도를 더 높게 달성한다.
• 비가환 교차 간섭이 존재하는 상황에서도 동시에 크로스 레이저 드라이브를 사용하여 고속이고 고정밀도의 네 큐비트 심판 추출을 가능하게 한다.
• 소스 게이트의 카르탕 계수가 극단치(0 또는 π/4)를 피할 경우, 최적화된 회로와 CNOT 게이트 간의 평균 게이트 정밀도는 1에 가까워진다.
• 매개변수화된 회로의 표현 능력은 소스 게이트의 얽힘 능력에 크게 의존하며, 카르탕 계수가 항등원 및 스위프(스위치) 한계에서 벗어난 경우 최적 성능을 발휘한다.
• 무작위 기준화와 함께 무작위 상태 및 기저 선택을 통한 AGF 추정은 오차와 실패 확률이 제한된 신뢰할 수 있는 정밀도 평가를 보장한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 VQGO가 교차 간섭의 영향을 효과적으로 완화하고 현실적인 초전도 큐비트 모델에서 게이트 성능을 향상시킬 수 있음을 확인했다.