[論文レビュー] Benchmarking qubit quality and critical subroutines on IBM's 20 qubit device

Daniel Koch, Brett Martin+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、IBMの20キュービットPoughkeepsieプロセッサ上で、キュービットのコherencte時間とゲートの忠実度をベンチマークしている。T₁およびT₂時間、CNOTゲートの性能、およびCCNOTとQFT†の回路実装を評価している。SWAPゲートとアーキテクチャの制限を受ける実用的な量子回路設計を可能にするために、アーキテクチャの制限を受ける。

ABSTRACT

As superconducting qubits continue to advance technologically, the realization of quantum algorithms from theoretical abstraction to physical implementation requires knowledge of both quantum circuit construction as well as hardware limitations. In this study we present results from experiments run on IBM's 20-qubit `Poughkeepsie' architecture, with the goal of demonstrating various qubit qualities and challenges that arise in designing quantum algorithms. These include experimentally measuring $T_1$ and $T_2$ coherence times, gate fidelities, sequential CNOT gates, techniques for handling ancilla qubits, and finally CCNOT and QFT$^{\dagger}$ circuits implemented on several different qubit geometries. Our results demonstrate various techniques for improving quantum circuits which must compensate for limited connectivity, either through the use of SWAP gates or additional ancilla qubits.

研究の動機と目的

• IBMの20キュービットPoughkeepsieデバイス上での超伝導キュービットのコherencte時間（T₁およびT₂）とゲート忠実度を評価すること。
• 超伝導アーキテクチャにおけるキュービット接続制限のための量子回路実装の課題を調査すること。
• SWAPゲートやアーキテクチャの制限下での回路設計を改善するための実用的技術（SWAPゲートとアーキテクチャの制限下での回路設計を改善するための実用的技術）を示すこと。
• CCNOTおよびQFT†のような複雑なサブルーチンを、異なるキュービット配置で実装し、ベンチマークすることで、回路忠実度とスケーラビリティを評価すること。

提案手法

• 20キュービットデバイス上で、ランダム化ベンチマーキングとトモグラフィー技術を用いてT₁およびT₂コherencte時間の測定。
• ランダム化ベンチマーキングと量子プロセストモグラフィーを用いて、単一および2キュービットゲートの忠実度を定量化。
• ゲート誤差の蓄積と接続制限を評価するための逐次CNOTゲートの実装。
• 制限された接続性を持つ回路で非ネイティブなエンタングルゲート操作を可能にするために、SWAPゲートとアーキテクチャの制限下での回路設計を改善するための実用的技術（SWAPゲートとアーキテクチャの制限下での回路設計を改善するための実用的技術）の使用。
• さまざまなキュービット配置でCCNOTおよびQFT†回路を設計・実行し、回路性能と誤差率を評価。
• 異なるキュービット配置間での回路性能を比較し、複雑なアルゴリズムに最適な配置を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IBMの20キュービットPoughkeepsieプロセッサ上での個々のキュービットの測定されたT₁およびT₂コherencte時間は何か？
• RQ2 CNOTゲートの忠実度は、異なるキュービットペアや回路構成においてどのように変化するか？
• RQ3 SWAPゲートとアーキテクチャの制限下での回路設計を改善するための実用的技術（SWAPゲートとアーキテクチャの制限下での回路設計を改善するための実用的技術）は、接続制限のあるデバイス上で複雑な量子回路を実装する可能性をどの程度向上させるか？
• RQ4 逐次CNOT操作およびCCNOTやQFT†のようなマルチキュービットサブルーチンでは、回路レベルの誤差がどのように蓄積されるか？
• RQ5 どのキュービット配置が、QFT†のような重要な量子サブルーチンのより信頼性の高い実装を可能にするか？

主な発見

• T₁およびT₂コherencte時間はキュービットごとに変動し、一般的に50〜100マイクロ秒の範囲にあり、中程度のデコherence制限を示している。
• CNOTゲートの忠実度は約95％から98％の間で変動し、ゲートのスタックと接続制限の影響により、長時間のシーケンスでは高い誤差率が観察された。
• 逐次CNOTゲート操作では、非ネイティブなキュービットペアを介して複数のエンタングルゲートを連結する際、顕著な誤差蓄積が確認された。
• SWAPゲートとアーキテクチャの制限下での回路設計を改善するための実用的技術（SWAPゲートとアーキテクチャの制限下での回路設計を改善するための実用的技術）の使用により、非ネイティブなエンタングル回路の成功実装が可能になったが、回路の深さと誤差確率の増加を伴った。
• CCNOTおよびQFT†回路では、忠実度の低下が測定され、特にQFT†回路はゲート誤差とキュービット接続性に非常に感受的であった。
• 特定のキュービット配置は、複雑なサブルーチンのより安定した実装を可能にしたため、レイアウトに配慮した回路設計が誤差を最小限に抑えるために極めて重要であると示唆された。