[논문 리뷰] Benchmarking near-term quantum computers via random circuit sampling

Yunchao Liu, Matthew Otten외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 11.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 2인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 임의의 비-Clifford 게이트의 계층에서 교차 간섭을 포함한 전체 잡음을 효율적으로 추정하고 IBM 양자 하드웨어에서 검증하는 RCS 기반 알고리즘을 개발하고, 교차 엔트로피 지표를 Pauli 노이즈 모델과 연결합니다.

ABSTRACT

The increasing scale of near-term quantum hardware motivates the need for efficient noise characterization methods, since qubit and gate level techniques cannot capture crosstalk and correlated noise in many qubit systems. While scalable approaches, such as cycle benchmarking, are known for special classes of quantum circuits, the characterization of noise in general circuits with non-Clifford gates has been an unreachable task. We develop an algorithm that can sample-efficiently estimate the total amount of noise induced by a layer of arbitrary non-Clifford gates, including all crosstalks, and experimentally demonstrate the method on IBM Quantum hardware. Our algorithm is inspired by Google's quantum supremacy experiment and is based on random circuit sampling. In their paper, Google observed that their experimental linear cross entropy was consistent with a simple uncorrelated noise model, and claimed this coincidence indicated that the noise in their device was uncorrelated -- a key step in hardware development towards fault tolerance. As an application, we show that our result provides formal evidence to support such a conclusion.

연구 동기 및 목표

• 확장된 단일 게이트 벤치마킹을 넘어선 노이즈 특성화의 필요성을 crosstalk 및 상관 노이즈로 정당화한다.
• 임의의 비-Clifford 게이트 계층의 전체 노이즈를 샘플링 효율적으로 바운드하는 방법을 개발한다.
• IBM Quantum 하드웨어에서 이 방법을 실험적으로 시연하고 이를 간단한 노이즈 모델과 관련 짓는다.
• 관찰된 교차 엔트로피 메트릭이 실제로 비상관 노이즈를 나타낼 수 있다는 형식적 근거를 제공한다.

제안 방법

• 임의 게이트 계층에 의해 유도된 파울리 채널로 노이즈를 모델링하고 트윌링이 Pauli-대각 형태로 축소됨을 보이며, 비제로 pα의 합인 총 에러율 λ를 추정하는 것을 목표로 한다.
• 하우어 차원에서 Haar-랜덤 단일 큐비트 게이트와 두 큐비트 게이트를 교대로 배치한 무작위 회로 샘플링을 사용하여 깊이에 따른 평균 회로 적합도(Fidelity)를 측정한다.
• 여러 깊이에서 적합도를 추정하고 F ≈ e^(−λd) 형태의 지수 감쇠에 맞춰 λ(및 SPAM 계수 A)를 추출한다.
• 편향되지 않은 선형 교차 엔트로피 추정기(uXEB)를 샘플 효율적인 fidelity 대체 지표로 사용하여 다양한 노이즈 모델에서 실제 fidelity와의 일치를 보여준다.
• 샘플 수 M에 따른 교차 엔트로피 추정기의 분산 스케일링을 논의하여 실용적인 샘플링 요구를 뒷받침한다.
• IBM Quantum 하드웨어에서 이 접근법을 적용하고 계층당 총 노이즈를 벤치마크하며 Crosstalk를 진단한다.]

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임의의 비-Clifford 게이트 계층으로 유도된 총 노이즈( Crosstalk 포함)를 샘플링으로 샘플-효율적으로 추정할 수 있는가?
• RQ2 Pauli-노이즈 모델 하에서 임의의 깊이에 대해 평균 회로 적합도가 지수적으로 감소하는가, 그리고 데이터를 통해 λ를 신뢰성 있게 추출할 수 있는가?
• RQ3 랜덤 엔트로피 메트릭이 현실적인 노이즈(상관 및 비지역 노이즈 포함) 하에서 실제 fidelity와 상관관계가 있는가?
• RQ4 RCS 벤치마킹이 비지역 Crosstalk를 다른 노이즈 원인과 구분할 수 있는가, 그리고 이것이 기존 실험에서의 비상관 노이즈에 대한 시사점은 무엇인가?
• RQ5 이 접근법이 더 큰 큐빗 수로 확장 가능한가, 그리고 실용적 한계와 잠재적 확장 경로는 무엇인가?

주요 결과

• RCS 벤치마킹은 Pauli-노이즈 모델 하에서 깊이에 따른 평균 회로 적합도의 지수 감쇠를 나타내며, 유효 노이즈율 λ를 추출할 수 있다.
• 편향되지 않은 선형 교차 엔트로피 추정기는 샘플 효율적인 fidelity 추정치를 제공하고 독립적/상관 노이즈 모델 전반에서 실제 fidelity와 일치한다.
• IBM Quantum 하드웨어 실험에서 직접 fidelity 추정 및 교차 엔트로피 방법 모두에서 지수 감쇠 곡선이 나타나고, 보고된 오차 내에서 일관된 λ 추정치를 얻는다.
• 동시 RB와의 비교에서 RCS가 Crosstalk 유형의 영향을 진단할 수 있으며, 상관 노이즈가 RB를 증가시킬 수 있는 경우도 교차 엔트로피로 다르게 포착될 수 있어 실제 비상관 노이즈에 대한 결론을 지지한다.
• 상관된 고가중 Pauli 오류가 추정 ENR λ에 미치는 영향이 제한적임을 시뮬레이션이 보여 주며, RCS를 글로벌 노이즈 측정으로 사용하는 것을 지지한다.
• 저자들은 실용적 확장 문제를 논의하고 50+ 큐빗에 대한 잠재적 확장 전략(그룹 기반 시뮬레이션 또는 클리포드-강화 스킴 등)을 제안한다.