[論文レビュー] Automatic Qubit Characterization and Gate Optimization with QubiC

Yilun Xu, Gang Huang+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、超伝導キュービットのための自動化、FPGAベースのキャリブレーションフレームワークQubiCを提示する。単一キュービットゲートには多次元損失最適化を、2キュービットCNOTゲートキャリブレーションには完全なXY平面上の測定法を用いる。この手法により、ランダム化ベンチマークイングを用いて最新の8キュービットプロセッサ（LBNLのAdvanced Quantum Testbed）で検証された、単一キュービットのクラッカー infidelity が $4.9(1.1) imes 10^{-4}$、2キュービットのクラッカー infidelity が $1.4(3) imes 10^{-2}$ の高精度ゲートを達成した。

ABSTRACT

As the size and complexity of a quantum computer increases, quantum bit (qubit) characterization and gate optimization become complex and time-consuming tasks. Current calibration techniques require complicated and verbose measurements to tune up qubits and gates, which cannot easily expand to the large-scale quantum systems. We develop a concise and automatic calibration protocol to characterize qubits and optimize gates using QubiC, which is an open source FPGA (field-programmable gate array) based control and measurement system for superconducting quantum information processors. We propose mutli-dimensional loss-based optimization of single-qubit gates and full XY-plane measurement method for the two-qubit CNOT gate calibration. We demonstrate the QubiC automatic calibration protocols are capable of delivering high-fidelity gates on the state-of-the-art transmon-type processor operating at the Advanced Quantum Testbed at Lawrence Berkeley National Laboratory. The single-qubit and two-qubit Clifford gate infidelities measured by randomized benchmarking are of $4.9(1.1) imes 10^{-4}$ and $1.4(3) imes 10^{-2}$, respectively.

研究の動機と目的

• 大規模な超伝導量子プロセッサにおける手動によるキュービット特性評価とゲート最適化のスケーラビリティと複雑さに対処すること。
• カスタマイズ可能なFPGAベースの制御システムを用いてプロセスを自動化することで、キュービットキャリブレーションに要する時間と人的作業を削減すること。
• システムのドリフトや環境への感受性にもかかわらず、高精度のゲート性能を維持する、簡潔で完全に自動化されたキャリブレーションプロトコルの開発。
• NISQ時代の量子コンputィングシステムに適した、効率的で高精度なゲート最適化を可能にすること。

提案手法

• 本手法は、繰り返し同じゲートを実行することで、駆動振幅とパルス持続時間の反復的調整により、単一キュービットX(90)ゲートのフィデリティを向上させる多次元損失に基づく最適化アプローチを採用する。
• 2キュービットCNOTゲートキャリブレーションでは、ブロッホ球上の任意の角度にエンタングル状態を投影できる完全なXY平面上の測定技術を用い、1回の測定セットからCNOTゲートのパラメータを抽出可能にした。
• QubiCシステムは、オープンソースのFPGAベースの制御・測定プラットフォームであり、リアルタイム波形生成、信号取得、古典的後処理を可能にし、正確な制御とフィードバックを実現する。
• ゲートフィデリティの検証にはランダム化ベンチマークイング（SRB, IRB, XRB）を用い、パrameter抽出にはTrue-Qソフトウェアでデータを処理した。
• Rabi振動の曲線フィッティングとエンタングルメントトモグラフィーを用いてゲートパラメータを抽出し、実験データに関数形 $P(t) = C + A\exp(-\tau t)\sin(2\pi f t + \phi_0)$ を適用した。
• CNOTゲートは $CNOT = IX(\theta_4) \cdot ZZ(\theta_1,\theta_2) \cdot CR \cdot IZ(\theta_3)$ としてモデル化され、代替のパラメータセットは $\pi/2$ のグローバル位相の違いを除いて同一である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自動化されたFPGAベースの制御システムは、最小限の人的介入で高精度な単一キュービットゲートキャリブレーションを達成できるか？
• RQ2 完全なXY平面上の状態準備を用いて、1回の測定セットで2キュービットCNOTゲートパラメータを効率的に抽出できるか？
• RQ3 多次元損失に基づく最適化は、従来のキャリブレーション手法と比較して、単一キュービットゲートのフィデリティをどの程度向上させるか？
• RQ4 実際のドリフトとノイズ条件下でも、提案されたキャリブレーションプロトコルは大規模プロセッサの複数キュービットにおいて高精度を維持できるか？
• RQ5 ランダム化ベンチマークイングによって検証された本自動プロトコルで達成可能なゲートフィデリティはどの程度か？

主な発見

• 単一キュービットのクラッカーゲート不正確度は $4.9(1.1)\times 10^{-4}$ で測定され、高精度な単一キュービット操作を示した。
• 2キュービットのクラッカーゲート不正確度は $1.4(3)\times 10^{-2}$ で測定され、効果的な2キュービットエンタングルメントとゲート制御を示した。
• 完全なXY平面上の測定法により、1回の測定セットからCNOTゲートパラメータを抽出可能となり、キャリブレーションの時間と複雑さを顕著に削減した。
• 多次元損失に基づく最適化法により、スタックされたゲートシーケンスを通じた駆動振幅の反復的調整によって、単一キュービットゲートが成功裏にチューニングされた。
• ランダム化ベンチマークイングの結果、自動キャリブレーションプロトコルがNISQ時代の量子アルゴリズムに適した高精度ゲートを提供することが確認された。
• QubiCシステムにより、キュービット特性評価とゲート最適化のエンドツーエンド自動化が実現され、実際の8キュービット超伝導プロセッサ（Advanced Quantum Testbed）で結果が検証された。